分子动力学模拟金属玻璃Cu应力晶化的应变率效应
超高应变率力学效应下多晶铜的微观塑性变形分子动力学模拟
第42卷第7期2015年7月Vol.42,No.7July,2015中国激光CHINESE JOURNAL OF LASERS 超高应变率力学效应下多晶铜的微观塑性变形分子动力学模拟王志龙罗开玉刘月鲁金忠江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013摘要激光冲击强化利用离子体力学效应在金属表面形成较深的残余压应力层，细化表层晶粒，大幅度提高金属抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀等机械性能。
目前现有实验手段很难获取超高应变速率下塑性变形过程中微观结构演变的动态过程。
本文采用LAMMPS 软件对在2×107s -1应变率，15ns 的加载时间，300K 温度下的多晶铜塑性变形行为进行分子动力学模拟，获得超高应变速率力学效应下多晶铜塑性变形微观结构的演变过程。
超高应变率下力学效应作用下，形变孪晶是中层错能金属亚微米晶粒细化的主要变形方式。
关键词激光技术;超高应变率;力学效应;塑性变形;分子动力学;多晶铜中图分类号TN249文献标识码Adoi:10.3788/CJL201542.0703005Molecular Dynamics Simulation of Plastic Deformation ofPolycrystalline Cu under Mechanical Effect with Ultrahigh Strain RateWang Zhilong Luo Kaiyu Liu Yue Lu JinzhongSchool of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013,ChinaAbstract Laser shock processing utilizes mechanical effect with ultrahigh strain rate to generate deeper residualcompressive stress and grain refinement layer,which improves mechanical properties,such as fatigue resistance,wear resistance and corrosion resistance.To date,it is very difficult to present dynamic microstructure evolutionat ultra-short time (several ten nanoseconds)during the plastic deformation at ultrahigh strain rate usingexperimental method.At temperature of 300K,a molecular dynamics of polycrystalline Cu with a loading durationof 15ns at a strain rate of 2×107s -1is conducted to describe the microstructure evolution process with the LAMMPSsoft.Under the mechanical effect of laser shock wave with a ultra-high strain rate,deformation twinning is theimportant microstructure of grain refinement of the alloys with medium stacking fault energy.Key words laser technique;ultrahigh strain rate;mechanical effect;plastic deformation;molecular dynamics;polycrystalline CuOCIS codes 350.3390;310.4925;120.6660收稿日期:2015-01-16;收到修改稿日期:2015-04-07基金项目:国家自然科学基金(51275220)、江苏省杰出青年基金项目(BK20140012)、江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目(2014-ZBZZ-015)、江苏省高校自然科学研究重大项目(14KJA460002)、江苏省高校“青蓝工程”骨干教师计划等作者简介:王志龙(1989—)，硕士研究生,主要从事激光表面改性技术方面的研究。
合金材料的力学性能研究分子动力学模拟与实验验证
合金材料的力学性能研究分子动力学模拟与实验验证引言：合金材料在现代工程领域发挥着至关重要的作用，其力学性能研究对于改善合金材料的设计和应用至关重要。
分子动力学模拟作为一种有效的研究手段，能够深入了解合金材料的力学性能，为实验验证提供重要的参考。
本文将讨论如何通过分子动力学模拟研究合金材料的力学性能，并结合实验验证来进一步验证分子动力学模拟的准确性及可靠性。
第一部分：分子动力学模拟的基本原理与方法分子动力学模拟基于牛顿力学，通过模拟原子或分子之间的相互作用来研究材料的力学性能。
其基本原理是在一定温度和压力条件下，通过求解牛顿方程来模拟原子或分子运动的轨迹和相互作用。
首先，需要建立合金材料的原子模型。
这可以通过实验技术如透射电子显微镜（TEM）进行观察，或者通过从头计算方法获取原子坐标、能量和力的信息。
然后，需要确定模拟系统的边界条件，如周期边界条件或固定边界条件。
接下来，我们需要选择合适的分子动力学模拟软件，如LAMMPS、GROMACS等。
在模拟过程中，需要设定模拟系统的初始状态，并模拟温度、压力以及外加的力场等因素。
模拟过程中，根据模型的预测结果，可以计算出合金材料的力学性能参数，如弹性常数、屈服强度、断裂韧性等。
通过大量重复的模拟计算，可以获得统计意义上的结果，并进一步分析和解释合金材料的力学性能。
第二部分：分子动力学模拟在合金材料力学性能研究中的应用1. 弹性性能研究分子动力学模拟可以计算合金材料的弹性常数，包括杨氏模量和剪切模量。
通过模拟不同温度和压力条件下的合金材料，可以研究其弹性性能的温度和压力依赖性，进一步预测合金材料在不同环境下的力学性能。
2. 屈服强度研究模拟过程中，可以施加外加的应力或应变来研究合金材料的屈服行为。
通过模拟不同应力和变形速率条件下的合金材料，可以计算出屈服强度，并预测合金材料的变形行为和塑性形变机制。
3. 断裂行为研究分子动力学模拟可以模拟合金材料的断裂行为，如断裂韧性、断裂强度等。
分子动力学模拟在材料力学中的应用
分子动力学模拟在材料力学中的应用近年来，随着计算机技术的快速发展和算力的提升，分子动力学模拟在材料力学研究中的应用越发广泛。
分子动力学模拟是一种基于牛顿力学原理的计算方法，通过模拟原子和分子的运动来研究材料的物理性质和力学行为。
它能够提供材料在微观层面上的详细信息，从而帮助我们深入了解材料的结构和性能。
首先，分子动力学模拟能够帮助我们研究材料的热力学性质。
通过模拟原子和分子的热运动，可以计算出材料的热膨胀系数、热传导性能等重要参数。
这些参数对于材料的设计和工程应用非常关键。
例如，在高温环境下，材料的热膨胀系数会影响到其结构的稳定性和性能的可靠性。
通过分子动力学模拟，我们可以预测材料在不同温度和应变条件下的热膨胀行为，以指导工程实践中的材料选择和设计。
其次，分子动力学模拟还可以用于研究材料的力学行为。
材料的力学性能对于各种工程应用至关重要。
分子动力学模拟能够提供材料的力学性质，如弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。
通过改变原子之间的相互作用势能和微观结构，我们可以模拟不同材料的力学行为，并理解其背后的物理机制。
这对于材料的优化设计和性能改进有着重要的意义。
除了研究材料的基本性质外，分子动力学模拟还可以用于研究材料的界面现象和表面反应。
材料的界面现象对于许多工程应用具有重要影响，如在材料的合成、粘接和涂层应用中。
通过模拟原子和分子在界面处的相互作用，我们可以揭示界面的结构特征和化学反应动力学，进而指导材料界面的优化设计和性能改进。
此外，分子动力学模拟还可以用于研究材料的失效行为。
材料的失效行为包括塑性变形、疲劳断裂等现象，对于材料的结构可靠性和寿命有着重大影响。
通过模拟原子和分子的动力学过程，我们可以研究材料在外部载荷下的变形行为和失效机制。
这对于材料的可靠性预测和寿命评估具有重要意义。
然而，分子动力学模拟也存在一些局限性。
首先，由于计算资源的限制，模拟的时间和尺度有一定的限制。
虽然现在的计算机算力有所提高，但研究材料的长时间尺度或复杂系统仍然是一项挑战。
分子动力学方法计算应力应变
分子动力学方法计算应力应变
分子动力学方法是一种计算物质分子运动的方法，可以用来模拟物质的物理和化学性质。
用于计算应力应变的方法有很多种，其中一种是通过在分子动力学模拟中计算原子之间的相互作用力来计算应力应变。
具体来说，分子动力学方法可以通过以下步骤来计算应力应变:
1. 准备材料：确定模拟的材料、模拟的几何形状和尺寸、材料的物理和化学性质等。
2. 创建模拟环境：通过分子动力学模拟软件创建一个模拟环境，包括模拟的材料、分子、边界条件等。
3. 计算相互作用力：通过分子动力学模拟软件计算材料中每个分子之间的相互作用力，以确定材料的应力状态。
4. 计算应变：通过分子动力学模拟软件计算材料中每个分子的位移和旋转，以确定材料的应变状态。
5. 分析结果：通过对模拟结果的分析，可以确定材料的应力应变关系，包括材料的应变率、应力、弹性模量等。
分子动力学方法可以用来计算材料的应力应变关系，帮助人们更好地理解材料的力学行为，并为材料设计和应用提供有用的信息。
分子动力学模拟金属离子_解释说明
分子动力学模拟金属离子解释说明1. 引言1.1 概述本文将介绍分子动力学模拟在金属离子研究中的应用。
金属离子作为一种重要的离子形态，在材料科学、生物医学和环境保护等领域具有广泛的应用。
通过分子动力学模拟技术，我们可以模拟金属离子在溶液中的结构和行为，从而深入了解其物理化学特性及其与周围环境的相互作用机制。
1.2 文章结构本文共分为五个部分。
首先在引言中概述了文章的内容和意义，并介绍了各章节的主要内容。
然后，在第二章中详细介绍了分子动力学模拟原理以及金属离子的特性与行为。
第三章将重点讨论模拟方法与参数设定，包括选择适当的分子力场和校准参数、控制时间步长和温度、处理边界条件等方面。
接下来，在第四章中，我们将展示并讨论模拟结果，包括金属离子的动态行为演化图示、温度和压力对其性质的影响分析以及离子溶解过程的模拟与解释说明。
最后，在第五章，我们对本文的研究结果进行总结与主要发现阐述，并指出了研究中的不足及改进方向，并探讨了未来金属离子研究的发展方向。
1.3 目的本文的目的是通过分子动力学模拟方法，深入探索金属离子在溶液中的行为和性质，并提供理论基础和参考依据用于进一步实验和应用研究。
通过详细描述模拟方法和参数设定，我们希望能够给读者提供一个清晰的指导，使他们能够正确地使用分子动力学模拟技术来研究金属离子系统。
同时，我们希望通过本文所呈现的模拟结果和讨论，为金属离子相关领域的科学家们提供一些新思路和观点。
2. 分子动力学模拟金属离子2.1 分子动力学模拟原理:分子动力学模拟是一种基于牛顿运动定律的计算方法，它通过数值积分求解原子或分子系统在给定势场下的运动轨迹。
在这个过程中，金属离子的位置、速度和相互作用等信息可以被模拟和记录。
2.2 金属离子的特性与行为:金属离子通常具有正电荷，并且常以溶液中形式存在。
它们在溶剂中会表现出不同的行为，如聚合态、孤立态和配位态等。
此外，金属离子还具有活跃性和可逆性，在化学反应中起着重要作用。
利用分子动力学模拟研究材料力学性能
利用分子动力学模拟研究材料力学性能材料力学性能的研究对于材料科学的发展具有重要意义。
近年来，随着计算机技术的不断进步，分子动力学模拟成为研究材料力学性能的强大工具。
通过模拟材料的原子结构和运动状态，可以深入了解材料的力学行为，并为材料设计和改良提供指导。
分子动力学模拟是一种基于牛顿运动定律的计算方法，通过数值积分来模拟原子间的相互作用及其在时间上的演化。
在模拟过程中，原子之间的势能函数和运动方程起着关键作用。
通过调整势能函数和初速度等参数，可以对材料的物理性质进行描述，例如弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。
弹性模量是材料力学性能的重要指标之一。
它反映了材料在受力时的变形能力，即材料在受到外力作用后能够恢复原始形状的能力。
通过分子动力学模拟，可以计算材料的弹性常数和弹性模量。
首先，在模拟中，需要确定材料的晶格结构和原子的初始位置，然后引入外力，模拟材料的应变过程。
根据二次方程拟合计算得到的应力应变曲线，可以得到材料的弹性模量。
屈服强度是材料在达到屈服点后发生塑性变形的能力。
通过分子动力学模拟，可以研究材料在不同外力作用下的塑性变形行为。
在模拟中，材料中的原子会受到外力的作用而发生位移，通过计算位移的大小和方式，可以得到材料的屈服强度。
此外，还可以通过模拟材料的断裂过程来研究材料的断裂韧性。
分子动力学模拟也可以用于研究材料的热膨胀性能。
在模拟中，可以通过控制温度对材料进行加热或降温，观察材料在不同温度下的热膨胀行为。
根据原子的运动状态和位置变化，可以得到材料的线膨胀系数和体膨胀系数，这对于材料的设计和应用具有重要意义。
除了以上提到的材料力学性能研究方向，分子动力学模拟还可以用于研究材料的强度、刚度、黏弹性等性质。
例如，通过模拟材料在不同压力下的变形行为，可以得到材料的强度和刚度。
通过模拟材料的应力松弛过程，可以得到材料的黏弹性性质。
这些研究对于材料的设计和应用具有重要的指导作用。
总之，利用分子动力学模拟研究材料力学性能可以深入了解材料的力学行为，为材料设计和改良提供指导。
应变率效应 破坏机理-概述说明以及解释
应变率效应破坏机理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在应力学领域中，应变率效应是一个广泛研究的话题。
它指的是在物质受到外部应力作用时，其应变速率会随着时间的推移而发生变化的现象。
简单来说，就是物质的应变速率不是固定不变的，而是会随着时间的推移而改变。
应变率效应是由多种因素共同作用引起的。
其中包括材料的本构关系、温度、应力水平以及时间等因素。
这些因素的变化都会对物质的应变速率产生影响，从而导致应变率效应的出现。
研究人员发现，应变率效应在许多实际应用中都具有重要作用。
例如，在材料加工过程中，控制应变率可以影响材料的塑性变形行为和力学性能。
在工程设计中，了解材料的应变率效应对于预测材料的寿命和性能至关重要。
在地震学领域，应变率效应被广泛应用于地震波的研究和预测中。
本文旨在深入探讨应变率效应的破坏机理。
我们将基于材料科学和物理学的基础知识，对应变率效应的本质进行解析，揭示其背后的物理机制。
通过对破坏机理的深入研究，我们希望能够为实际应用中的材料设计和工程优化提供一定的指导和借鉴。
本文结构如下：首先，我们将对应变率效应进行详细介绍，包括其基本概念、定义和分类。
然后，我们将重点讨论应变率效应的破坏机理，包括应变速率和时间的关系、应变率效应与材料本构关系的关联等。
最后，我们将总结本文的主要内容，并展望应变率效应在未来的研究和应用中的发展前景。
希望通过本文的阐述，能够进一步增加对应变率效应研究的认识，为材料科学和工程技术的发展做出一定的贡献。
文章结构是指文章的组织方式和章节安排，它对于一个长文的阅读和理解起着重要的作用。
本文按照以下结构展开：1. 引言1.1 概述在本节，我们将简要介绍应变率效应和破坏机理的相关概念和背景，以帮助读者更好地理解本文的主题。
1.2 文章结构本文将按照以下章节来展开讨论应变率效应和破坏机理。
首先，我们将介绍应变率效应的定义、原理和影响因素，以帮助读者全面了解该概念。
接着，我们将探讨破坏机理的基本原理和主要类型，并讨论应变率效应对破坏机理的影响。
Cu 熔化及凝固过程的分子动力学模拟
图4 为冷却速率为4×1013K/s 及4×1011 K/s 时的偶分 布函数曲线，随着温度的降低，偶分布函数第一峰高度 不断增加，宽度逐渐变窄，表明每个原子的第一近邻原 子数目不断增加，体系的短程有序度增强。图4(a)中， 在298K 下偶分布函数对应液态的第二封出现劈裂，表 现出明显的非晶特征；图4(b)中，在298K 下偶分布函 数在对应液态的第一峰和第二峰之间出现了一个小峰， 表明体系具有明显的晶态结构。
土木建筑学院08材料物理专业 08470101 林作亮
4.2 降温凝固过程
图 3 给出了不同降温速率下原子平均能量随温度变化的关系曲线，由图可以看 出，当冷却速率为4×1013K/s 时，原子能量连续减小，整个降温过程中原子平 均能量不存在突变，体系最终形成非晶。当冷却速率为4×1011 K/s 时，原子能 量在随温度降低的过程中突然减小，体系发生晶化转变，转变点对应的温度即为 结晶温度。并且可以看出，降温速率越低，对应的结晶温度越高，曲线突变时下 降越陡，下降单位温度释放的能量越多，体系最终能量越低，结晶越充分,得到 的最终结构越稳定。
2、分子动力学模拟的基本过程
模拟体系的初始构型由6×6×6 的Fcc-Cu 元胞组成， 共864 个原子，时间步长为1fs（飞秒），采用三维周 期性边界条件，Nose/Hoover 控温控压方法。首先让 体系在298K 下驰豫100000 步，然后以4×1012K/s 的 速率升温至1898K；然后在1898K 下驰豫100000 步得 到平衡液态结构，再分别以4×1013K/s，1×1013K/s， 4×1012 K/s，4×1011 K/s 的速率降温至298K。在模 拟过程中每400K 记录一次体系的构型，每个构型驰豫 一定的时间，并通过构型的平均来确定相应的体系结构。
金属熔体与金属玻璃热力学行为的分子动力学模拟
中国科学技术大学博士学位论文金属熔体与金属玻璃热力学行为的分子动力学模拟姓名：***申请学位级别：博士专业：固体力学指导教师：王秀喜;Moneesh Upmanyu20060501第一章绪论第一章绪论§１．１纳米科学技术一、纳米技术纳米科技（ＮａｎｏＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）是指在纳米尺度（Ｏ．１ｎｍ到１００ｎｍ之间；ｌｎｍ等于１０一９ｍ，大约相当于３、４个原子直径的长度）上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉科学与技术。
纳米科技的最终目标是基于原子、分子层次研究、设计和制造产品。
纳米科技是２０世纪８０年代末、９０年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新型学科领域，它将在２ｌ世纪促使几乎所有工业领域发生革命性的变化。
目前所有发达国家都在对纳米科技的研发进行大量投入，试图抢占这一２１世纪科技战略制高点。
早在１９５９年，诺贝尔物理奖获得者ＲｉｃｈａｒｄＦｅｙｎｍａｎ在他著名的演讲【ｌＪ“ＴｈｅｒｅｔＳＰｌｅｎｔｙｏｆＲｏｏｍａｔｔｈｅＢｏｔｔｏｍ”中阐述了基于原子、分子层次制造材料和器件的构想，他预言：“Ｉｃａｒｌ’ｔｓｅｅｅｘａｃｔｌｙｗｈａｔｗｏｕｌｄｈａｐｐｅｎ，ｂｕｔＩｃａｎｈａｒｄｌｙｄｏｕｂｔｔｈａｔｗｈｅｎｗｅｈａｖｅｓｏｍｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｉｎｇｓｏｎａｓｍａｌｌｓｃａｌｅｗｅｗｉｌｌｇｅｔａｉｌｓｕｂｓｔａｎｃｅｓｃａｎｈａｖｅ，ａｎｄｏｆｅｎｏｒｍｏｕｓｌｙｇｒｅａｔｅｒｒａｎｇｅｏｆｐｏｓｓｉｂｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｈａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｉｎｇｓｔｈａｔｗｅｃａｎｄｏ．’’１９８１年美国麻省理工学院的Ｄｒｅｘｌｅｒ『【２１发表了第一篇关于分子纳米技术的论文，文章提出了人造分子机器的构想。
１９８２年Ｂｉｎｎｉｇ等口】首先研制成功了扫描隧道显微镜（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｔｍｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＳＴＭ），为人类在原子尺度上研究物质结构开辟了一条新途径。
分子动力学模拟及其在微晶玻璃中的应用综述
第36卷第2期山东建筑大学学报Vol.36No.2 2021年4月JOURNAL OF SHANDONG J1ANZHU UNIVERSITY Apr.2021DO1：lO.12O77/sdjz.2O21.O2.O12分子动力学模拟及其在微晶玻璃中的应用综述李杨打井敏3，武吉伟2,刘立强1（1.山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南250101；2.国家包装产品质量监督检验中心，山东济南250100）摘要:随着计算机性能的显著提高，应用分子动力学模拟研究微晶玻璃体系，有助于深入研究微晶玻璃的性能和推动玻璃产业的发展。
文章概述了分子动力学的发展历史、基本原理，阐述了分子动力学中的有限差分算法和势函数，综述了近年来基于分子动力学模拟获得的关于微观网络结构和微晶玻璃研究中的成果，并展望了微晶玻璃研究过程中分子动力学模拟的发展方向。
关键词:分子动力学模拟;微晶玻璃;应用中图分类号:TQ171.1文献标识码:A文章编号：1673-7644（2021）02-0082-06Overview of molecular dynamics simulation andits application in glass-ceramicsL1Yang1,J1NG Min1，*,WU Jiwei2,L1U Liqiang1(1.School of Material Science and Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan250101,China； 2.NationalSupervision and Inspection Center for Packaging Product Quality,Jinan250100,China)Abstract:With the improvement of computer performance,the application of molecular dynamicssimulation to the study of glass-ceramics system is helpful to explore the properties of glass-ceramicsand promote the development of glass industry.This paper introduces the development history andbasic principle of molecular dynamics,expounds the finite difference algorithm and potential functionin molecular dynamics,summarizes the results obtained in recent years of microstructure and glassceramics based on molecular dynamics simulation,and prospects the development direction ofmolecular dynamics simulation in the study of glass-ceramics.Key words:molecular dynamics simulation；glass-ceramics;application0引言微晶玻璃作为一种新型无机材料,具备优良的化学、力学、机械、光电性能，有着广阔的应用前景,相关研究一直是关注热点［1］。
金属力学行为的分子动力学模拟研究
金属力学行为的分子动力学模拟研究金属作为一种普遍存在于我们周围的物质，其力学行为对于工程设计和材料科学的发展都具有重要的意义。
而金属力学行为的分子动力学模拟研究，则是深入了解金属内部微观结构和力学性能的一种有效方法，也是当前材料科学研究中的热门领域之一。
一、金属的力学行为金属的力学行为是指在外界力作用下发生的材料变形和断裂行为。
通俗地说，就是金属在不同外力作用下的形变和破裂过程。
而金属的力学行为受到材料性质、外界力和金属内部微观结构等多种因素的影响。
二、分子动力学模拟分子动力学模拟是一种通过计算机模拟粒子（如原子、离子、分子等）的运动状态和微观过程，从而揭示它们的宏观行为的方法。
在材料科学研究中，分子动力学模拟已经成为了一种重要的工具，能够帮助研究人员深入了解材料内部结构和性能之间的关系。
三、金属力学行为的分子动力学模拟研究主要是通过对金属内部结构、原子之间的相互作用和运动状态进行模拟，从而了解金属的力学性能。
下面我们分别从应力应变关系、力学性能和断裂机制三个方面介绍一下金属力学行为的分子动力学模拟研究。
1.应力应变关系应力应变关系是指材料在外界施加一定力时，材料产生的应变与力的关系。
通常情况下，应力应变关系用杨氏模量和泊松比来描述。
而通过分子动力学模拟，我们可以了解金属微观结构对应力应变关系的影响，并通过模拟不同外力作用下金属的应变变化，从而得出不同温度、压力条件下的应力应变关系。
2.力学性能力学性能是指材料在外力作用下的本质力学行为，包括弹性模量、屈服强度、拉伸强度等指标。
通过分子动力学模拟，我们可以对金属的力学性能进行模拟和分析。
例如，可以模拟金属的拉伸过程，分析金属的强度和塑性变形能力等。
3.断裂机制断裂机制是指材料发生断裂的物理和化学机制。
通过分子动力学模拟，我们可以了解金属的断裂机制，特别是在不同条件下的断裂过程。
例如，可以通过模拟金属的裂纹扩展过程，研究金属的断裂模式和扩展速度等。
固体塑性实验室时间尺度的分子动力学模拟概述
第38卷第3期2021年6月Vol. 38，No. 3June 2021计算力学学报Chinese Journal of Computational MechanicsDOI ： 10. 7511 棷slx20210117002固体塑性实验室时间尺度的分子动力学模拟概述王云江12(1.中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学工程科学学院，北京100049)摘 要：随着超级计算机软硬件的飞速提升，基于经验势函数的分子动力学模拟在解析固体塑性的微观机制方面发挥着关键作用。
但是，由于传统分子动力学基于牛顿运动方程数值积分，积分时间步长通常为飞秒量级，其模拟的时间尺度通常限于纳秒量级，从而为模拟长时间尺度固体塑性机制带来了巨大的挑战。
本文从分子动力学模拟的时间尺度限制切入，介绍目前国际流行的几种实验室时间尺度原子模拟技术，并以晶体位错塑性与非晶态物质扩散和剪切转变塑性为例，阐述实验室时间尺度和原子精度计算机模拟的思想与实施步骤。
最后，展望了目前加速分子动力学方法普遍存在的问题，并提出可能的解决方案。
关键词：分子动力学；加速分子动力学；固体塑性；时间尺度中图分类号：0313 文献标志码：A 文章编号：1007-4708(2021)03-0280-101引言随着超级计算机硬件的飞速发展，以及大规模并行技术的进步，计算力学已经深入到固体力学、 流体力学以及工程力学研究的各方面，成为与实验和理论并驾齐驱的三大研究范式之一。
如图1所 示的多尺度计算力学框架，计算力学触及的范畴包括从电子和原子尺度的基础研究到大型工程构件 的整体优化，涉及量子力学到连续介质力学的多层次跨越与耦合，以及与各种物理、化学和生物等外场的相互作用。
▲呂Mechanicalp angst nano micro Atomistic MDmillion ator nsQuantumDFT ■100 atoms|M E ______Solidsmeso macro Length scaleChemicalBiologicalCoarse-grain DDD |im ysContinuum M FEMmacrosize secondy MultiphysicsNonlinear interaction of fieldsPhysical ]图1多尺度计算力学示意图Fig. 1 A schematic of the nlurtiscale computational mechanics收稿日期：2021-01-17；修改稿收到日期：2021-02-27.基金项目：国家重点研发计划(2017YFB00701502)；国家自然科学基金(12072344);中国科学院青年创新促进会(2017025)资助项目.作者简介：王云江灣((981-),男，博士，研究员(E-nlail ：yjwang@inlech. ac. cn).多尺度计算力学包含多个层次和不同范畴的 计算方法，如微观原子尺度的密度泛函理论和分子 动力学、介观尺度的相场、离散位错动力学以及宏观尺度的弹塑性有限元模拟。
分子动力学模拟在聚合物玻璃化转变中的应用研究
分子动力学模拟在聚合物玻璃化转变中的应用研究近年来，聚合物材料在生产和生活中得到了广泛的应用，是一种重要的功能材料。
但是，随着材料的使用和申请领域不断扩大，对其科学研究的要求也越来越高。
其中最重要的一个问题是聚合物材料在使用过程中的状态变化和劣化机制。
与此相关的研究涉及到聚合物材料的玻璃化问题。
玻璃化转变是聚合物材料在温度变化过程中特有的一种物理变化现象，是固体材料从低温的玻璃态到高温的液体态的过渡。
近年来，分子动力学模拟在聚合物玻璃化转变中的应用研究已成为热点话题。
分子动力学模拟是一种基于牛顿力学的模拟方法，通过计算从原子或分子粒子的尺度出发分析材料的宏观性质。
其模拟结果可以用来预测材料的微观结构和宏观性质，不受实验条件影响，可以反复调整和改进模型，从而推进材料科学研究。
而在聚合物玻璃化转变中，分子动力学模拟也有着不可替代的优势。
下面我们来讨论其在这个领域中的应用研究。
1. 聚合物与玻璃化现象在聚合物材料中，聚合物分子之间的相互作用起着决定性作用。
聚合物分子之间的作用力包括共价键，范德华力，静电相互作用和氢键等，这些力可以影响聚合物的结构和性质。
当聚合物材料的温度降低到一定程度时，由于热学效应，聚合物分子之间的运动逐渐减缓，变得更加有序，从而聚合物材料演变成一种玻璃态。
这个过程称为“玻璃化现象”。
玻璃化现象的发生与聚合物材料中分子之间的相互作用有着密切的关系。
因此，为了深入了解聚合物材料的玻璃化现象，我们需要研究聚合物分子之间的相互作用，包括分子之间的距离、密度、固有相对位置等特征参数，并理解这些参数如何随温度变化而变化，从而推断其在玻璃态下未知的物理规律。
2. 分子动力学模拟在聚合物玻璃化转变中的应用针对聚合物材料玻璃化转变中的复杂性，纯理论解析并不能有效解决问题，因此，分子动力学模拟在聚合物玻璃化转变中的应用研究便显得尤为重要。
分子动力学模拟可以反映出聚合物分子之间的相互作用，理解其物理规律，并预测其状态变化。
金属材料力学性质的分子模拟研究
金属材料力学性质的分子模拟研究金属材料是现代工程领域中最重要的材料之一。
了解金属材料的力学性质对于设计和优化材料在不同工程应用中的性能至关重要。
传统的实验方法提供了对材料力学性能的很多有用信息，但是它们通常是昂贵和耗时的。
因此，采用计算方法对金属材料的力学性质进行分子模拟研究具有重要的意义。
本文将讨论金属材料力学性质的分子模拟研究方法及其在材料科学研究中的应用。
分子模拟方法是通过建立分子间相互作用势函数和采用统计物理力学的原理来计算材料的结构和性质。
对于金属材料来说，分子动力学（molecular dynamics, MD）方法是一种应用广泛的分子模拟方法。
在分子动力学模拟中，金属材料被看作由原子组成的系统，原子间的相互作用势函数描述了原子之间的相互作用力。
通过对系统引入适当的温度和压力条件，可以模拟金属材料在特定温度和压力下的力学行为。
在金属材料力学性质的分子模拟研究中，最重要的是模拟材料的应力-应变（stress-strain）曲线。
应力-应变曲线是描述材料在受力作用下变形行为的图像，能够展示材料的强度、塑性和断裂行为。
通过分子动力学模拟，可以计算出应力-应变曲线，并对金属材料的力学性能进行定量分析。
除了应力-应变曲线外，金属材料力学性质的分子模拟研究还可以通过计算材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等力学参数来进一步研究材料的性能。
这些参数能够提供关于材料刚性、塑性和韧性的信息。
例如，弹性模量可以用来描述材料在受力下的变形程度，而屈服强度可以用来衡量材料抗变形的能力。
通过分子模拟方法，我们可以通过计算原子间相互作用势函数和力的关系来获得这些重要的力学参数。
除了力学性质，金属材料的分子模拟研究还可以揭示材料的微观结构和固溶行为。
金属材料通常由多种原子组成，而原子的排列方式和组成比例对材料的性能具有重要影响。
通过分子动力学模拟，可以准确计算材料的原子位移、晶体结构和界面性质等。
这些信息对于设计和制造优化材料有着重要的指导作用。
材料力学性能的分子动力学模拟
材料力学性能的分子动力学模拟随着人类文明的不断进步，科技的发展与创新也日新月异。
在材料科学中，分子动力学模拟是一种高效的研究方法，可以利用电脑模拟出物质微观结构、理论计算物质性质，预测材料力学性能。
分子动力学模拟通过运用牛顿力学原理和统计力学方法，基于原子间相互作用力学公式对原子进行模拟，尤其是关注原子之间的运动和相互作用，从而得知材料在不同条件下的动力学性能。
作为一种通用材料科学辅助手段，分子动力学模拟在材料力学性能研究中的应用已经不再是新鲜事物。
在材料科技领域中，分子动力学模拟被广泛应用于研究材料的物理性质、化学性质、反应动力学和能量转换等。
而在实际应用中，可以发现分子动力学模拟不仅能够用于材料的设计和开发，同时还可以派上很多功用。
有趣的是，通过分子动力学模拟理论，科学家们能更加准确地得知材料的性质，例如弹性力、屈服强度、裂纹扩张、变形、刚度、热膨胀系数等等。
同时，分子动力学模拟还可进一步探究各种金属、非晶体材料、半导体材料、生物材料等的力学性质，有助于为材料的生产和应用带来更多的效益。
分子动力学模拟所依据的质点论和统计机制理论是牛顿动力学和经典力学的基础，而分子动力学模拟所应用的并非“实体”材料，而是材料中的原子或分子。
这为研究和发展新型材料，寻找物质构造和性质之间的联系和影响提供了一把重要的工具。
当然，分子动力学模拟也有自己的适用范围和限制。
例如，分子动力学模拟无法直接模拟粘滞流体、面积膜材料、微观纳米结构和生物分子，而这些材料的性质和理论推导非常重要。
因此，分子动力学模拟常常与传统的实验研究相辅相成。
在国际学术和技术界，分子动力学模拟已经成为材料学科和科技领域中的一个重要分支。
尤其是在纳米科技领域中，分子动力学模拟发挥出的作用一直备受关注。
我们可以预期，随着软件工具的不断改进和模拟方法的不断完善，分子动力学模拟将会成为探索材料力学性能新奇领域的先锋技术。
总之，随着技术的不断进步，分子动力学模拟将会提供一种更加高效、低成本的研究方案，而这种方案将能够帮助材料工程师在材料力学性能领域取得更进一步的突破。
金属材料的应变效应是指
金属材料的应变效应1. 引言金属材料的应变效应是指在外力作用下，金属材料会发生形变并产生一系列的物理和化学效应。
这一效应对于了解金属材料的力学性能、工程应用以及制造过程中的变形行为非常重要。
本文将介绍金属材料的应变效应的基本概念、分类、影响因素以及相关实验方法。
2. 基本概念2.1 应变在讨论金属材料的应变效应之前，我们首先需要了解什么是应变。
在力学中，应变是指物体单位长度或单位体积发生的相对形变量。
对于线弹性体来说，其线弹性范围内，应力和应变之间存在一个线性关系。
2.2 应变效应金属材料在外力作用下会发生形变，而这种形变会引起一系列物理和化学效应，称为金属材料的应变效应。
主要包括弹性、塑性、疲劳等方面的效应。
3. 应变效应分类根据不同的标准和研究目的，金属材料的应变效应可以被分为多个不同的分类。
下面是几种常见的分类方式：3.1 弹性应变效应弹性应变效应是指金属材料在外力作用下发生形变后，当外力消失时能够完全恢复到初始状态的效应。
这种效应是由于金属材料内部原子结构的改变引起的，其特点是具有可逆性。
3.2 塑性应变效应塑性应变效应是指金属材料在外力作用下发生形变后，即使外力消失，也无法完全恢复到初始状态的效应。
这种效应是由于金属材料内部原子结构发生了不可逆的改变引起的。
3.3 疲劳应变效应疲劳应变效应是指金属材料在反复加载下产生的塑性形变和损伤积累所引起的一系列物理和化学效应。
这种效应会导致金属材料在循环加载下出现疲劳断裂。
4. 影响因素金属材料的应变效应受到多个因素的影响，包括温度、加载速率、晶体结构等。
以下是几个主要的影响因素：4.1 温度温度是影响金属材料应变效应的重要因素之一。
在高温下，金属材料的塑性应变效应会增加，而弹性应变效应会减小。
4.2 加载速率加载速率也会对金属材料的应变效应产生影响。
在快速加载下，金属材料容易发生塑性形变，而在慢速加载下，则更容易表现出弹性行为。
4.3 晶体结构晶体结构对金属材料的应变效应有着显著影响。
快速冷却条件下银的比热及玻璃化过程的分子动力学模拟
快速冷却条件下银的比热及玻璃化过程的分子动力学模拟
，
近年来，银的比热和玻璃化过程的快速冷却条件得到了广泛的研究，它对研究
金属材料行为有重要的意义。
为了更好地理解快速冷却条件下银的比热及玻璃化过程，机械工程和材料科学领域的研究者已经采用了分子动力学模拟的方法。
首先，通过分子动力学模拟的方法来研究快速冷却条件下银的比热，研究者们
发现，其原子依在银材料中的特定结构决定了其比热，铝等合金对能量密度的影响可以从库伦范围理论比较清楚的认知。
同时，通过模拟，研究者还发现，银的比热在快速冷却条件下会非常显著地增强，从而维持体系的稳定状态。
另一方面，也可以通过分子动力学模拟研究玻璃化过程。
要实现这种模拟，首
先需要对玻璃化反应中参与物质的能量位置、时间迁移、结构变化特性等等进行研究，以便实现精确模拟。
分子动力学模拟表明，由于介观效应和原子间强交互作用的存在，物质会出现玻璃动力学的特性，使它的温度降低。
最终，可以得出快速冷却条件下银的玻璃化过程的理论解释。
综上所述，快速冷却条件下银的比热及玻璃化过程可以通过应用高级分子动力
学模拟进行精确研究。
由此，可以根据原子依在银材料中的特定结构，促进研究者深入了解快速冷却下的金属材料行为，为科学家们提供了一个更真实、准确的模型。
分子动力学 应变速率
分子动力学与应变速率概述分子动力学（Molecular Dynamics，简称MD）是一种计算模拟方法，用于研究原子或分子系统的运动和相互作用。
应变速率是指物体在外力作用下发生形变的速率。
本文将重点介绍分子动力学在研究应变速率方面的应用。
分子动力学原理分子动力学通过求解牛顿运动方程来模拟粒子的运动。
该方法基于经典力学，将粒子视为质点，并考虑其受到的相互作用力和外部力对其运动状态的影响。
通过数值积分方法，可以模拟出粒子在不同时间步长下的位置、速度和加速度等信息。
应变速率与分子动力学应变速率是材料科学中一个重要的物理量，它描述了材料在受到外部加载时发生形变的快慢程度。
通过分子动力学模拟，可以研究材料在不同应变速率下的响应行为，并揭示其微观机制。
1. 材料模型构建首先，需要构建一个合适的材料模型。
这涉及选择适当的原子种类、晶胞尺寸和晶胞结构等参数。
通常使用的是周期性边界条件，以模拟无限大的材料体系。
2. 势函数与相互作用力分子动力学模拟中，需要定义原子之间的相互作用势函数。
常用的势函数包括Lennard-Jones势、Coulomb势等。
这些势函数描述了原子之间的吸引和排斥作用，并根据原子之间的距离计算相互作用力。
3. 温度控制在分子动力学模拟中，温度是一个重要的参数。
通过控制系统温度，可以模拟不同温度下材料的行为。
常用的方法包括随机速度赋初值、Nosé-Hoover热浴等。
4. 应变加载在模拟中施加外部应变加载，可以研究材料在不同应变速率下的响应行为。
常见的加载方式有剪切加载、拉伸加载等。
5. 分析与结果通过分子动力学模拟得到的数据可以进行多种分析和结果展示。
常见的分析包括应力-应变曲线、杨氏模量计算、位错生成与移动等。
分子动力学在应变速率研究中的应用分子动力学在材料科学中有广泛的应用，尤其是在研究材料的力学性质方面。
以下是一些常见的应用场景：1. 材料强度与韧性通过分子动力学模拟，可以研究不同应变速率下材料的强度和韧性。
Cu 熔化及凝固过程的分子动力学模拟
• 5 结论 • 1)采用EAM 势函数，利用分子动力学方法模拟 了Cu 的升温熔化过程,模拟得到熔点为 • 1493K,与实际熔点误差约为9.7%. • 2)模拟了Cu 在不同冷却速率下的凝固过程，结 果表明,冷却速度快时形成非晶体，冷却速度慢 时形成晶体。冷却速度越慢，结晶温度越高，结 晶进行得越充分，得到的结构越稳定。 • 3)升降温中存在温度滞后现象,降温速率越大,过 冷液态范围越大。
4.1 加热融化过程
图 1 给出了升温过程中原子平均能量随温度变化的关系，随着温度的升高能量突然增大，说明体 系发生了某种相变。
图2 为升温过程中不同温度下偶分布函数曲线，从图中可以看 出，随着温度的升高，偶分布函数第一峰高度不断变低，宽度 不断变宽，这表明每个原子的第一近邻原子数目不断减少，同 时第二峰也出现相同的变化。这些都说明，随着温度的升高， 体系的短程有序度不断下降，无序度不断增加。值得注意的是， 在1498K 及1898K 下，偶分布函数对应晶态下的第二峰完全消 失，体系表现出明显的液态特征，故可证明图1 中发生的相变 为固液相变，体系发生熔化。由此可确定模拟得出的熔点为 1493K
关键词
分子动力学模拟；EAM 势函数；熔化；凝固
1引言
大量的实验结果表明，金属在熔化和凝固过程中的宏观性质变化是 由体系的微观结构转变引起的，但其微观结构转变很难通过实验获 得。因此，计算机模拟成为研究熔化、凝固过程中体系微观结构转 变的重要手段。 随着计算机计算能力的提高和原子间相互作用势的发展，分子动力 学方法已经成为研究材料微观结构的一个重要方法。基于嵌入原子 方法(EAM)构造的原子间相互作用势已被成功的应用于液固相变、 位错、界面模拟等多个方面。 本文采用EAM 相互作用势，利用分子动力学方法模拟Cu 升温熔化 及在不同冷却速率下的凝固过程，采用偶分布函数(PCF)、均方位 移(MSD)等方法分析了体系的微观结构转变。
金属 cu 晶格应变
金属cu 晶格应变全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：金属是一类具有特殊物理和化学性质的材料，广泛应用于工业生产和日常生活中。
铜（Cu）是一种常见的金属元素，具有良好的导电性和导热性，因此被广泛应用于电子器件、建筑材料、工艺品等领域。
在金属中，晶格应变是一种重要的物理现象，影响着金属的机械性能和热物性。
晶格应变是指晶体结构中的原子在外力或温度变化下发生的形变。
在金属中，晶格应变通常表现为晶粒或晶体整体的变形或内部晶格的畸变。
晶格应变的产生主要受到晶体结构、应力状态和温度等多种因素的影响。
一般来说，金属晶体中的原子排列呈现规则的晶格结构，晶格应变会引起晶体结构的变化，进而影响金属的力学性能和热物性能。
当金属受到外力作用时，晶格应变会通过晶体中原子之间的相互作用传递，使得晶格产生变形。
金属的塑性变形和弹性形变都与晶格应变密切相关。
在金属的弹性变形中，晶格应变引起晶体中原子的相对位移，但并不改变晶格结构。
而在金属的塑性变形中，晶格应变导致晶体中原子的位置发生变化，形成位错等缺陷，从而改变晶体的结构。
除了外力作用外，温度变化也会引起金属晶格的应变。
金属在高温下晶格结构松弛，原子间距增大，晶格应变呈现扩散性质。
而在低温下，晶格结构产生压缩，原子间距缩小，晶格应变则呈现收缩性质。
在金属的热膨胀和热应变中，晶格应变的影响至关重要。
金属晶格应变还对金属的导电性和导热性产生影响。
晶格应变改变了金属晶体结构中原子之间的相对位置，导致晶体内部电子传输和热传导的障碍，从而影响金属的导电性和导热性能。
对金属晶格应变的研究不仅有助于理解金属的机械性能和热物性能，还可以为金属材料的设计和应用提供重要的参考依据。
金属晶格应变是金属材料中的一个重要物理现象，影响着金属的力学性能、热物性能以及导电性、导热性等多方面性质。
通过对金属晶格应变的研究，可以更好地理解金属材料的内在性质，并为金属材料的合理设计和应用提供科学依据。
随着科学技术的不断发展，金属晶格应变的研究将在材料科学领域发挥越来越重要的作用。