冲击波压缩下含纳米孔洞单晶铁的结构相变研究

利用分子动力学模拟方法对含纳米孔洞的单晶铁在冲击波压缩下的结构相变(由体心立方结构α到六角密排结构ε)进行了研究,单晶铁样品的尺寸为17.2nm×17.2nm×17.2nm，总原子数428341个，在样品的中央预置一个直径为1.12nm的孔洞，利用一活塞分别以350，500，1087m/s的速度撞击样品产生冲击波，对应的冲击波压缩应力分别为12，17，35GPa.撞击方向沿单晶铁的［100］晶向.计算结果表明，在冲击波压缩下，孔洞对铁中的相变起了诱导作用，伴随着孔洞的塌陷，相变首先出现在孔洞周围的(011)面和(011)面上，然后扩展到整个样品.通过分析冲击压缩下原子的位移历史，解释了相变的微观机制，发现孔洞周围的原子在{011}面上沿〈011〉晶向滑移，离孔洞中心距离越近的{011}面上的原子容易滑移，间隔一层的{011}面与相邻层原子的移动位移幅度不同，这种相对滑移导致出现了新的结构(hcp结构). 关键词： 相变 分子动力学 冲击波 纳米孔洞     

一维应变加载下单晶铁结构转变的微观研究

采用嵌入原子势和分子动力学方法,模拟了单晶铁在一维应变条件下由体心立方（bcc）转变为六角密排（hcp）结构的微观过程. 当应变加载至相变临界值时,hcp相开始均匀形核并沿{011}晶面长大为薄片状体系.弹性常数C₃₁和C₃₂在相变前被逐渐硬化,C₃₃则在相变前出现软化行为;当体系完全相变后,上述各弹性常数显示开始随体积压缩而迅速硬化,温度效应对晶格具有软化作用,可削弱C₃₃的硬化和软化过程;样品在压缩过程可出现孪晶结构,孪晶结构使晶格发生剪切变形.混合相中,hcp相势能比bcc相高,最大剪应力方向与bcc相反向;系统的偏应力与hcp相质量分数近似呈线性关系. 关键词： 结构转变 分子动力学 一维应变     

单轴应变驱动铁bcc—hcp相转变的微观模拟

用分子动力学方法模拟了沿〈001〉晶向应变加载和卸载情况下单晶铁中体心立方(bcc)与六方密排(hcp)结构的相互转变,分析了相变的可逆性和微结构演化特征.微观应力的变化显示样品具有超弹性性质,而温度变化表明在相变和逆相变过程中均出现放热现象.相变起始于爆发式均匀形核,晶核由块状颗粒迅速生长为沿{011}晶面的片状分层结构; 而卸载逆相变则从形核开始就呈现片状形态,且相界面晶面指数与加载相变完全一致,表现出形态记忆效应.在两hcp晶核生长的交界面易形成面心立方(fcc)堆垛层错. fcc通过在hcp晶粒内     

单晶Ce冲击相变的分子动力学模拟

金属Ce在室温条件下当压力达到约0.7 GPa时会发生一阶相变,体积突变减小14%—17%,相变前后两相分别为γ-Ce和α-Ce,均为面心立方结构.实验中发现冲击波在Ce中传播,其波形存在明显的多波结构依次为γ-Ce弹性前驱波、γ-Ce塑性波、γ-Ce→α-Ce相变波.基于新发展的金属Ce的嵌入原子势,对单晶Ce的冲击相变行为进行了分子动力学模拟.模拟结果表明,在一定强度下,单晶Ce中的冲击波阵面分裂为多波结构,波形结构与加载晶向明显相关:在[001]和[011]晶向加载下表现为双波结构,依次为前驱波和相变波;在[111]晶向加载下波阵面分裂为弹性前驱波、γ-Ce塑性波、γ→α相变波,与已有的实验观察相一致.冲击波速的Hugoniot关系在低强度加载下与实验符合得较好.同时在此冲击相变过程中,应力偏量对相变起促进作用,相较于静水压加载,冲击加载的相变压力条件更低一些.     

沿〈111〉晶向冲击加载下铜中纳米孔洞增长的塑性机制

用分子动力学方法计算模拟了单晶铜中纳米孔洞（约φ1．3nm）在〈111〉晶向冲击加载过程中的演化及其周围区域发生塑性变形的过程。模拟结果的原子图像如图1所示，其中活塞速度为500m／s，图中所示为4族连续三层穿过孔洞中心的{111}晶面在4000个时间步时（处于拉伸应力状态）的原子排列图像。从面心立方铜晶体中位错成核及运动特点可知，当位错在{111}面上成核和运动后，将产生层错和部分位错结构，我们正是根据此特点来判断在某{111}晶面上是否有位错的成核和运动。从图1可以看到，沿〈111〉晶向冲击加载后，     

动态压缩下马氏体相变力学性质的微观研究

使用分子动力学方法,模拟了活塞以恒定加速运动从一端压缩单晶铁（沿［001］晶向）发生马氏体相变的微观过程.根据模拟结果将上述压缩过程分为弹性压缩、晶格软化、相变（bcc至hcp）、超应力松弛和高压相弹性压缩五个阶段,对各阶段的原子滑移规律和应力变化特征做了详细分析.分析得出应力超过约10 GPa时,开始出现弹性常数软化行为;层错结构（fcc）和孪晶界为新相形核的两种缺陷,前者更为稳定;相变后粒子首先进入超应力松弛状态（即沿加载方向的偏应力呈现负值）,在应力超过约36 GPa粒子转变为高压相弹性压缩状态. 关键词： 分子动力学 单晶铁 相变 动态压缩     

单晶铁沿[101]晶向冲击过程中面心立方相的形成机制

铁的冲击相变过程是科研工作者们关注的热点领域之一.铁沿[100]晶向冲击时会发生体心立方相到密排六方相的转变;而沿[101]晶向冲击时,相变产物除了密排六方相之外还出现一定量的面心立方相.人们已经明确了体心立方到密排六方相的转变机制,然而对于面心立方相的形成机制问题至今还在探索.本文通过分子动力学方法模拟了体心立方单晶铁沿[101]晶向的冲击过程,模拟结果显示体心立方相将转变为高压密排结构(密排六方相和面心立方相);并分析了面心立方相的形成机制:在冲击过程中,单晶铁沿[101]和101]晶向突然收缩,同时沿[010]晶向突然扩张,从而导致体心立方到面心立方相的转变.此外,本文进一步研究了不同应力状态下单晶铁的相变机制,发现沿[101]晶向单轴压缩以及沿[101]和[101]晶向双轴压缩时铁将发生体心立方到面心立方相的转变;而沿[101]和[010]晶向双轴以及三轴压缩时将会发生体心立方到密排六方相的转变.最后进一步计算了三个相的吉布斯自由能随压力的变化,并对冲击模拟结果进行了能量分析,给出了沿[101]晶向冲击条件下高压密排相产生的原因.     

沿〈111〉晶向冲击加载下铜中纳米孔洞增长的塑性机制研究

 用分子动力学方法计算模拟了沿〈111〉晶向冲击加载过程中，单晶铜中纳米孔洞（直径约1.3 nm）的演化及其周围区域发生塑性变形的过程。模拟结果表明，在沿〈111〉晶向冲击加载后，在面心立方（fcc）结构中的4族{111}晶面中有3族发生了滑移。伴随孔洞的增长，在所激活的3族{111}晶面上，观察到位错在孔洞表面附近区域成核，然后向外滑移，其中在剪切应力最大的〈112〉方向上，其位错速度超过横波声速，其它〈112〉方向的位错速度低于横波声速。模拟得到的位错阻尼系数范围与实验值基本符合。由于孔洞周围产生的滑移在空间比较对称，孔洞增长形貌接近球形。在恒定的冲击强度下，孔洞半径增长速率近似保持恒定，其速率随着冲击强度的增加而增大。     

冲击加载下铝中孔洞长大的微观机理分析

 利用扫描电镜和透射电镜观测了冲击加载后高纯铝损伤状态孔洞的分布,发现在冲击波加载后,高纯铝中出现了大量的孔洞,孔洞大小多集中在百纳米尺度,分布不均匀,且呈现出带状形貌,局部区域的孔洞在冲击波作用下优先发展,孔洞长大,形成微米级的大孔洞。进一步的观测发现,在孔洞周围出现了大量的位错发射,发射方向位于{111}晶面上,是面心立方金属的密排面。运用分子动力学模拟进行了对比研究,验证了位错发射方向与观测结果是一致的。     

单晶Cu(001)薄膜塑性变形的分子动力学模拟

使用分子动力学方法,模拟研究了单晶Cu(001)薄膜在双向等轴拉伸应变下的塑性变形行为.当应变超过一定值时,样品通过产生位错、层错及孪晶而发生塑性变形.当应变相对较低时,不全位错首先在薄膜表面形核并在密排面上滑移,留下堆积层错;当应变增加时,位错在表面与内部同时成核生长,层错数量也随之增加.分析了相邻滑移面上的位错之间相互作用形成孪晶的微观过程.材料内部形成大量堆积层错及孪晶后,较大孪晶的密排面上的原子也会发生滑移,形成孪晶内部的层错结构以释放残余应力.     

Atomically sharp 〈111〉 trihedral angle of a tungsten tip

The processes occuring in the course of heating of a tungsten tip in an electric field and resulting in the formation of the 〈111〉 trihedral angle at the intersection of three {011} closest packed planes in the crystal lattice of tungsten are investigated using field-emission microscopy, continuous-mode field-desorption microscopy, and high-temperature field evaporation microscopy. It is demonstrated that atomically sharp angles can be formed at temperatures above 2200 K in the absence of field evaporation. An atom forming the apex of the trihedral angle lies in the triangle of atoms arranged in the (111) plane. In the triangle, each atom is located at the intersection of the 〈111〉 close-packed atomic rows, which are the boundaries of the {011} planes forming the trihedral angle and the {112} planes forming the angle edges two rows in width.     

Orientation dependence of structural transition in fcc Al driven under uniaxial compression by atomistic simulations

By molecular dynamics simulations employing an embedded atom method potential,we have investigated structural transformations in single crystal Al caused by uniaxial strain loading along the [001],[011] and [111] directions. We find that the structural transition is strongly dependent on the crystal orientations. The entire structure phase transition only occurs when loading along the [001] direction,and the increased amplitude of temperature for [001] loading is evidently lower than that for other orientations. The morphology evolutions of the structural transition for [011] and [111] loadings are analysed in detail. The results indicate that only 20% of atoms transit to the hcp phase for [011] and [111] loadings,and the appearance of the hcp phase is due to the partial dislocation moving forward on {111} fcc family. For [011] loading,the hcp phase grows to form laminar morphology in four planes,which belong to the {111} fcc family; while for [111] loading,the hcp phase grows into a laminar structure in three planes,which belong to the {111} fcc family except for the (111) plane. In addition,the phase transition is evaluated by using the radial distribution functions.     

Surface free energy anisotropy measurement of indium

The equilibrium shape of In crystallites shows {111}, {001}; and {100} plane faces. The facets are connected by curved surfaces with smooth edges. The Wulff construction allows the surface free energy anisotropy to be measured in the main zones of the crystal, i.e. 〈001〉, 〈100〉, 〈110〉 and 〈011〉. The higher surface free energy is found in the 〈011〉 direction. Within the accuracy of the measurements the {001} and {100} faces show the same energy.     

bcc Fe中刃型位错的结构及能量学研究

基于位错理论，利用分子动力学方法建立了〈100〉{010}，〈100〉{011}，1/2〈111〉{011}和1/2〈111〉{112}刃型位错的芯结构，并计算了这四种刃型位错的形成能、位错芯能量和芯半径.计算结果表明：〈100〉{010}和〈100〉{011}刃型位错的形成能比1/2〈111〉{011}和1/2〈111〉{112}刃型位错的要高，这表明〈100〉刃型位错比1/2〈111〉刃型位错更难形成.而〈100〉{010}和〈100〉{011}刃型位错的芯半径比1/2〈111〉{011}和1/2〈111〉{112}刃型位错的小，这说明在1/2〈111〉刃型位错中位于奇异区的原子数多于〈100〉刃型位错，而这些原子要比完整晶体中的原子具有更大的活性.可见，1/2〈111〉刃型位错比〈100〉刃型位错更易运动，且〈100〉刃型位错在bcc Fe中难以形成. 关键词： bcc Fe 刃型位错 分子动力学模拟     

Structural models of the reconstructed W{001} surface

A LEED intensity analysis of 5 beams from the low-temperature W{001}c(2×2) structure indicates that the surface reconstruction involves shifts of the surface atoms along 〈110〉 directions within the plane of the surface, as suggested by Debe and King. At temperatures 100–140K the shifts are in the range 0.15–0.3 Å, with the first interlayer spacing 1.48–1.58 Å (bulk value 1.58 Å). Similar analysis of the room-temperature W{001}c(2×2)-H phase indicates: (i) none of the models proposed, which ascribe the c(2×2) structure directly to ordered hydrogen adsorption, can explain the experimental data; (ii) the W{001}c(2×2)-H structure is probably impurity stabilized by H at room temperature in the same W lattice as the low-temperature reconstructed phase.     

Dislocations in Fe-3% Si alloy single crystals deformed at a higher rate

The method of etching dislocations is used to study the distribution of dislocations and twins in Fe-3% Si alloy single crystals prepared from the melt after plastic deformation with higher speed. The crystals are deformed by twinning in the 〈111〉 directions along the {112} planes and by slip in the 〈111〉 directions along the {110} planes. The results prove that the dislocations causing plastic deformation move in the {110} planes during both fast and slow deformation. The difference in the slip surfaces during fast and slow deformation is explained by the different number of cross slips per unit dislocation path.     

CVD金刚石薄膜孪晶形成的原子机理分析

采用X射线衍射技术、电子背散射衍射技术和扫描电镜分别观察了不同甲烷浓度条件下沉积的CVD自支撑金刚石薄膜的宏观织构、晶界分布和表面形貌. 研究了一阶孪晶在金刚石晶体{111}面生长的原子堆垛过程. 结果表明，由于一阶孪晶〈111〉60°的取向差关系以及{111}面的原子堆垛结构，使{111}面上容易借助碳原子的偏转沉积产生一阶孪晶. 低甲烷浓度时，碳原子倾向于在表面能较低的{111}面沉积，为孪晶的形成提供了便利，且高频率孪晶使薄膜织构强度减弱. 甲烷浓度升高使生长激活能较小的{001}面成为主要前沿生长面，因而只有〈001〉晶向平行薄膜法向的晶粒能够不断长大，因此孪晶形核概率明显减小. 另外，在薄膜中发现二阶孪晶，并对二阶孪晶的形成进行了分析. 关键词： 金刚石薄膜 孪晶 原子机理 取向差     

Growth and stability of carbon islands on platinum surfaces

Details of the growth of C(graphite) islands and their stability on Pt surfaces were studied by FEM, UHV-SEM and very high resolution scanning AES. Initial nucleation of the C occurs on dislocations in the curved high index surface areas. Above 1150 K these randomly distributed islands dissolve and face specific layers are formed on {110} which can extend along the 〈100〉 zones all the way to the {100} planes. The sequence of stability of graphite layers on Pt is: {110} > all other {hk0} on the 〈100〉 zone except {100} > {100} followed closely by {111}. Concerning this layer stability, epitaxial mismatch plays a subservient role to the dipole interaction between metal substrate and graphite layer.     

冲击加载下孔洞诱导相变形核分析

用分子动力学方法模拟了冲击加载(沿［001］向)下单晶Fe中孔洞诱导相变形核及生长过程,并分析了初始温度对这一生长过程的影响.数值模拟显示：1) 相变形核首先出现在孔洞周围的(110)和(110)面上,并分别沿［110］,［110］向和［110］,［110］向生长成片状,之后核的生长方向则变为沿〈111〉向,形成“V”形板条状新相颗粒;2) 在相同冲击压力下,初始温度为300 K时在新相晶核边缘出现许多核胚,生成的新相颗粒比60 K时明显减小.这些现象表明,孔洞诱导相变形核及生长过程沿着特定晶向进行,而初 关键词： 相变 孔洞 分子动力学