摘要：本文通过分子动力学方法对液态Ti-Al合金的扩散进行模拟研究，通过计算体系中原子的MSD曲线得到：随着温度的升高，扩散系数增大，说明温度越高，原子越容易移动扩散，此结论与热力学理论相吻合，即温度越高，体系的能量越大，平均每个原子的能量也就越大，原子就容易移动，即扩散也会增加，体现在扩散系数上的增大。
关键词：分子动力学模拟、液体金属、扩散、MSD
引言
液态金属的宏观热物理性质一直是凝聚态物理学和材料学研究领域的一个重要研究热点。扩散系数是液态金属的重要热物理参量[1]，在金属凝固的理论和实验研究中，是不可或缺的物理参量。Ti-Al合金因其特有的低密度、高温强度高、耐蚀、可焊等优势具有重要的应用前景，可广泛应用于航天发动机、潜艇、机械加工、运动器械等行业；因钛的亲生物性也应用于医用支架及填充物等领域；作为磁控溅射镀膜的原材料在真空镀膜行业也占据重要位置，一直是材料领域研究的热点。目前，针对高活性高熔点液态金属的热物理性质的研究一直因为实验条件的严苛进展缓慢。同时高活性高熔点液态Ti-Al合金的热物理性质的研究进展缓慢，限制了Ti-Al合金凝固理论的进一步发展。本文选择Ti–10at%Al轻质高温合金作为研究对象。在2100K-2600K的温度范围内，对液态Ti-Al合金系统分别采用EAM模型进行分子动力学模拟，然后通过计算MSD曲线得到扩散系数。
液态金属的宏观热物理性质如扩散从而可以获得人们所需要性能的金属材料，扩展金属在各个领域中的应用市场[2]。由于大多数金属的熔点很高，要想研究液态金属的扩散很难实现。随着计算机技术的快速发展，使用计算机模拟方法为研究液态金属热物理性质提供了可能。近年来，对液态金属的研究得到了许多进展，韩逸等人[3]对液态金属扩散系数的测量方法与理论研究的进展进行研究；孙民华等人[4]研究了Al熔体粘度的突变点及与熔体微观结构的关系。
本文利用分子动力学模拟方法，基于LAMMPS软件进行模拟。研究了不同温度对液态金属Ti-Al合金扩散系数的影响。从而得到宏观热物理性质随温度变化的趋势。
6.LAMMPS简介
LAMMPS即Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator，可译为大规模原子分子并行模拟器，在与分子动力学相关的一些计算和模拟研究上运用广泛，总的来说，分子动力学所研究到的领域，LAMMPS代码也都涉及到了。
LAMMPS是由美国Sandia国家实验室开发出的一种开源软件，以GPL license发布，即开放源代码且可以免费下载使用，也就是说使用者可以根据自己研究内容的需求去修改源代码。LAMMPS可以支持包括气体，液体或者固体的各种系综，小到几个粒子，大到百万级的原子分子体系，并提供多种势函数。LAMMPS有良好的并行拓展性。
使用LAMMPS进行分子动力学模拟主要通过输入文件来驱动，一般情况下，输入文件由四个部分组成：一是对模拟对象进行初始化，对单位、边界条件和维度等参数设定；二是定义原子，建立模型进行计算；三是对势函数、时间步长、系综等参数进行设置，以及输出所需数据的设置；最后是计算。
7.液态金属的MSD曲线
均方位移的全称为Mean Square Displacement缩写为即MSD。液态和气态分子运动比较活跃，它们不会一直停留在某个位置上，而是在不停的大幅度运动的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆MSD 均方根位移的量与原子的扩散系数具有如下关系：
其中??是对组内所有原子平均。
如果体系中只含有一个原子，那么MSD公式为：
液态金属中的原子或者分子的运动并不是单一的路径，它总是与周围原子不断发生碰撞而远离原来位置。爱因斯坦对布朗运动进行分析得到：稠密流体中粒子运动距离平方的平均值与时间成正比关系，即：
<r^2> = 6 D t + C
上式中<r^2>是对位移的平方做平均，t是时间，D和C是常数。D是物理学中一个重要的参数，叫做扩散系数。
当体系处于熔点以上的状态，均方根位移和时间呈具有线性关系，MSD曲线的斜率与扩散系数之间的关系为：
上式中适用于三维体系。如果体系为二维，上式中的6应该被4代替。
8.模拟条件和方法
本文对液态Ti-Al合金在NPT系综下进行了分子动力学模拟研究，对其微观结构进行研究分析。
本文模拟Ti-Al合金使用嵌入原子法（EAM）势函数，采用三维周期性边界条件，在等温等压（NPT）系综下，对处于熔融状态下的10800个原子状态进行模拟。时间步长为1fs，三个方向(Px、Py、Pz)的压强均为0。
模拟计算温度从2100K到2600K，分别在这些温度下运行200ps，以确保体系处于平衡状态。每隔5000步输出系统的结构组态，所输出的文件内容为原子的空间坐标。然后用Ovito[5]进行可视化，进一步探讨温度对扩散的影响。
9.模拟结果与讨论
9.1MSD曲线
图1(a)为Ti-Al合金中Ti的MSD曲线；图1(b)为Ti-Al合金中Al的MSD曲线。曲线的斜率与扩散系数相关，从图中可以看出斜率随着温度的升高而增加，由此扩散系数也会增大。从热力学角度来看，系统能量随着温度的升高而增大，原子会更加活泼，且在系统中更容易扩散，即扩散系数增加。
（a）
（b）
图1 MSD曲线随温度变化
9.2扩散系数
自扩散系数DA 和 DB可以通过计算MSD曲线的斜率得到。合金的扩散系数与各个元素的自扩散系数之间的关系为：
Dalloy = xBDA + xADB
图2为扩散系数与温度之间的关系，从图中可以看出，扩散系数随着温度的升高而增大，说明温度越高，体系中的原子越容易扩散移动。
图2 扩散系数随温度的变化趋势
参考文献
[1] 陈民 王遵敬 等. 铜镍合金的表达张力温度系数的蒙特卡罗模拟[J]. 工程热物理学报. 2001，22(3)-2001
[2] 张世良, 戚力, 高伟,等. 分子模拟中常用的结构分析与表征方法综述[J]. 燕山大学学报, 2015(3):213-220.
[2] 张海涛, 刘让苏, 陈晓莹,等. 液态金属Ga急冷凝固中微观结构转变的模拟研究[J]. 原子与分子物理学报, 2005, 22(3):000449-455.
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[4] 孙民华, 耿浩然, 边秀房,等. Al熔体粘度的突变点及与熔体微观结构的关系[J]. 金属学报, 2000, 36(11):1134-1138.
[5] Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO-the Open Visualization Tool[J]. Modelling Simul.mater.sci.eng, 2010, 18(6):2154-2162.
论文作者:徐晗池
论文发表刊物:《科技新时代》2018年12期
论文发表时间:2019/2/18
标签：液态论文; 系数论文; 原子论文; 金属论文; 温度论文; 合金论文; 分子论文; 《科技新时代》2018年12期论文;