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1、毕业设计 (论文)开题报告题目： 基于单晶铜分子动力学的研究院（系）材料与化工学院专业金属材料工程班级0 9 0 3 0 5 姓名刘肖雄学号0 9 0 3 0 5 1 15 导师严文2012 年12月14日1 毕业设计（论文）综述分子动力学模拟可以获得在实际实验中无法获得的微观过程细节，清楚地观察和分析一些物理现象发生机制。这种优点使分子动力学在物理、化学、材料科学等领域研究中显得非常有吸引力。在材料损伤、断裂等比较复杂系统的研究中，倾向用分子动力学方法研究微观变化规律、介观的唯象模型研究材料性质、宏观连续介质研究材料行为的途径。在量子力学计算中，从头计算材料模拟能够更真实地模拟材料物理化学性
2、质，但是受计算量过大所限，目前还主要限于研究晶体的性质。材料微结构研究主要是针对微结构发生改变的规律的定性研究，但需要模拟的粒子数很多，目前主要采用分子动力学模拟1.1 背景及国内外研究状况目前关于单晶铜动力学方面的研究有：单晶铜晶体制备的分子动力学模拟；不同温度下纳米单晶铜杆拉伸的分子动力学模拟；单晶铜材料纳米切削特性的分子动力学模拟等。这些都将有助于进一步掌握单晶铜在制备以及后续加工过程中组织性能的控制，与此同时进一步扩大分子动力学模拟的应用面显然是一个热门的发展方向, 国外许多学者利用分子动力学技术计算液态金属的结构及热力学性质。波兰的 Janusz 等利用多体相互作用 , 借助分子动力
3、学计算了 Ag 、 Au、 Cu 、 N i等面心立方金属的热力学性质。 Holzman等采用 EAM 势计算了面心立方金属液 - 气界面的特殊性 , 所得密度、内能、 结构因子等结果与实验吻合的相当好。N. Taji ma等采用 EAM 势模拟了面心立方金属的点缺陷。K. Kadau等运用分子动力学模拟了烧结 Fe- N i纳米颗粒的马氏体转变。近几 年 , 分子 动力 学模 拟研 究在我国 发展 很快。 在液态 金属 研究 方面 , 中 国 科学 院冶 金 研究 所 的陈 柳 等对晶 体的生长过 程 进 行 了分 子 动 力学 模拟 研究 。 王金 照等利用分子动力学方 法模 拟研 究了
4、铜铝合 金的 比热 , 戎 咏华 等 对铁锰 合金层位 能进 行了 计算 。 张 建 民 等采用改进嵌入原子法计算了铜晶体的表面能。1.2. 研究目的及意义连续介质模型都无法考虑材料本身在微观尺度上不连续的结构特征 ,为此经典力学应用性和适用范围受到一定限制.因此要构建更加准确和科学的模型就有必要从微观尺度出发,结合材料的具体结构对微观缺陷在拉伸应力作用下的生长规律进行细致研究 ,同时从微观尺度上研究这几个过程对于深入理解材料的塑性变形以及断裂失效等问题有重要意义通常认为微观缺陷一旦在材料中成核,影响它们后续生长的因素有基体材料的性质、应力应变环境、应变率及温度等因素，本实验研究意义旨在微观情
5、况下，寻求单晶铜动力学的一般规律。2 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 本课题主要研究内容：（）动态加载下单晶铜中孔洞增长的机制主要分析动态加载条件下单个孔洞的增长机制，分析孔洞增长过程中的应力分布及孔洞增长演化随冲击强度的变化规律。（）单晶铜剪切变形的动力学模拟对单晶铜剪切变形进行动力学模拟， 分析模型尺寸及应变速率对单晶铜剪切应力的影响2.2 本课题拟采用的实验方案( ）针对动态加载下单晶铜中孔洞增长的机制：采用飞片和靶材平面碰撞 ( 靶材中心预置一个空洞 )， 利用MD ，研究空洞在一维应变情况下的微观增长过程具体步骤第一步：采用原子嵌入式模型 （EMA ）,
6、 用于空洞增长的模拟；第二步：认为整个模拟系统是绝热的，把单晶铜【100】方向作为碰撞方向；第三步：将飞片和靶的比例设为1:2 ，这是由于理论上在此比例下碰撞后产生的拉伸应力区首先产生在靶的中心，以确保我们预置在靶中心的空洞会首先受到拉伸应力波的作用；第四步：分别设定 0.7km/s 1km/s 1.3km/s 1.6km/s 1.9km/s 的飞片碰撞靶材，研究在不同加载条件下空洞的变化情况；第五步：拟合空洞体积和时间以及不同加载强度下的远场拉应力峰值的关系数据。（）针对单晶铜剪切变形的动力学模拟针对模型尺寸 / 应变速率对单晶铜剪切变形的影响具体步骤：第一步：采用 EMA, 在三维的立方模
7、型中 （该模型主要有两部分构成：中部的活性区，两端边界区域用于实现剪切加载）；第二步：为保证系统的恒定温度，在加载过程中采用速度标定法 （每隔一定时间步长就对系统原子的瞬时速度进行重新标定）；第三步：在剪切应变为2*103/us, 分别计算 X 方向的尺度分别为 3.43nm 10.66nm 32.35nm 的剪切应力应变曲线；三维尺度：3.43*2.06*2.40nm;10.66*4.80*2.40nm;32.35*10.98*2.40nm 在不同的应变速率下剪切变形。2.2 本课题应当注意的问题：（1） 单晶铜分子动力学的研究中应选择适当的系综，因为系统的一切统计特性基本都是以系综为起点推
8、导的；（）根据研究目的， 选择合适的力场， 以保证计算结果的可靠性；（）单晶铜分子动力学计算通常选取一定数目分子的计算，将其置于一个立方的盒子中， 该盒子即为模拟系统。保证系统密度恒定，才能使计算结果符合实际情况；（） 选取合适的积分步长， 其原则是：节省计算时间又不失去计算的准确性，一般取系统最快运动周期的十分之一3 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作本课题研究的重点及难点（） 合理的设计实验，选择合适的力场，保证实验模拟结果数据的可靠性；（） 动力学模拟过程中，程序的编写及算法的合理选择；（） 计算机模拟结果的处理与分析4 完成本课题的工作方案及进度计划2012 年需完成任务： 第 1
9、6-18 周：熟悉课题背景，查阅文献资料，完成开题报告； 第 18 周 ：开题答辩；2013 年需完成任务： 第 15 周：相关实验准备、预实验、完善实验方案及步骤； 第 612 周：根据实验方案进行程序编写等； 第 1317 周: 数据处理、材料分析、撰写论文；第 18 周： 答辩5 参考资料1 黄跃 飞, 李 洪平 基于AF M 的 单 晶铜薄 膜 压痕的 分子 动力学 研究2李 春 艳 , 刘华 , 刘 波涛 分 子动 力 学 模拟 基 本 原理 及 其 研究进 展 J广州化工， 2011，39（4 3 胡海泉，子动力学模拟基本原理和主要技术， 聊城大学学报，2005，3（18）4杨萍，
10、孙益民，分子动力学模拟方法及其应用，安徽师范大学学报，2009，32（1）5 张俊杰等，单晶铜原子力显微镜加工过程亚表面变形层分子动力学模拟，机械工程学报， 2009，45（1）6MP Allen & DJ Tildesley, Computer Simulation of Liquids, 1987,89 DC Rapaport, The Art of Molecular Dynamics, 1995 000, 31( 4) :390392. 7 THE ART OF MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION CAMBRIDGE UNIV. PRESS(1997) 8王玉
11、, 刘更 , 朱 世 俊带孔 纳米单 晶 铜悬臂 梁 弯曲的 分 子动 力 学 模拟， 机械科 学 与技 术， 2006，25（6） 9 梁迎春 , 单晶铜材料切削特性的分子动力学研究金属学报 , 2009，45（10）10张俊杰，孙涛，李增强，闫永达，单晶铜 AF M 加 工 过程 的 分子 动力学 模 拟， 系 统 仿真 学报 2008，29（4）11单 德彬 , 袁林 , 郭斌 单晶 铜 弯 曲裂 纹萌 生和扩 展 的分 子动力 学模 拟 ， 哈 尔滨 工业 大学 学报12 WANG Jian-Jiang, DUXin-Kang, LIU Hong-Wei.Influence of Cu Reaction Flame Sprayed J.Journal of Inorganic Materials, 2007,22(3):550-554. 13 Kodama T. Reactive thermal spray by high velocityceramic jet and characterization of Cu.Journal of Thermal Spray Technology,1999,8(4):537-539.
