CN107357956A - 基于分子动力学径向分布函数图确定玻璃转变温度的方法 - Google Patents

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刘生进
李旭阳
辛绍贺
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Abstract

一种基于分子动力学径向分布函数图确定玻璃转变温度的方法，其步骤包括：用高的冷却速率对材料进行冷却，制备非晶态合金，冷却的过程中，同步计算各个时间段的径向分布函数值和材料整体的平均温度值；根据径向分布函数图与材料整体平均温度值的对应关系，取在第二劈裂峰现象出现时对应的温度Tg1；加热形成的非晶态材料，直到材料彻底熔化，加热的过程中，同步计算各个时间段的径向分布函数值和材料整体的平均温度值；根据径向分布函数图与材料整体平均温度值的对应关系，取在第二劈裂峰现象消失时对应的温度Tg2；取Tg1与Tg2的平均值即为该非晶材料的玻璃转变温度值Tg。本发明无需借用大量繁复的理论公式计算，较大程度的节省了相关科技工作者的时间。

Description

基于分子动力学径向分布函数图确定玻璃转变温度的方法
技术领域
本发明属于纳米级超精密加工领域，涉及一种基于分子动力学径向分布函数图确定玻璃转变温度的方法。
背景技术
作为一种重要的新型工程材料——非晶态合金以其出色的力学、物理及化学性能成为现在国内外学者重点研究的材料之一。目前常采用提高冷却速率的快速凝固方法来获得非晶态合金。当合金溶液以一定临界冷却速率冷却至热力学玻璃态转变温度Tg以下时，将会形成非晶合金；以任意的速度加热非晶态合金，当温度达到临界玻璃态转变温度Tc以上时，非晶态合金又会彻底转变黏流态，非晶结构消失。然而在实际测定的过程中由于冷却过程太快导致无法准确测量该温度点，所以通常采用反向升温法来测量Tg点。即把得到的固态非晶合金重新加温，在某一温度区间，材料的粘度等其它物理性能发生改变，这个转变的开始点就被认为是Tg点。实际上由于非晶态合金材料的玻璃态转变过程极短，反向升温测得的Tg点与实际的Tg点有较大的差别。但非晶态合金的形成过程可以被分子动力学很直观的模拟出来，分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulation)可以模拟并计算这个过程。同时其不受加工设备、加工条件的限制，可随意改变仿真的加工参数、周围环境因素、工件几何形状等条件。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供一种确定金属材料的玻璃转变温度区间的方法。
本发明的判定条件是建立在径向分布函数的理论基础之上。目前，通常采用统计物理学中分布函数来描述非晶态的微观结构。为了简化问题，该方法只考虑成堆原子的相互作用，并假设：1)非晶固体是各向同性的；2)非晶固体是均匀的。在此假设条件下，以任一原子为原点，非晶中原子的分布仅与径向长度r的大小有关。用ρ(r)平均径向分布函数(Radial Distribution Function，简称RDF)来表示非晶结构信息，其物理意义是与原点原子相距r处单位体积的原子密度数。因此ρ(r)dr给出的距离在r+dr之间找到原子的概率。得到的径向分布函数数据可以和实验数据、计算机模拟比较，从而获得非晶的结构信息。实践证明了RDF是表征非晶材料微观结构有价值的方法，它可反映非晶材料微观结构的一些主要特征，给出了非晶最重要的短程序信息，同时它可以对不同非晶结构模型进行关键性检验，可大大缩小可能的结构范围。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于分子动力学径向分布函数图确定玻璃转变温度的方法，其内容包括以下步骤：
1、用分子动力学语言建立晶态金属材料工件，在2400K的高温环境下，驰豫400ps使晶态材料充分熔化；
2、用高于材料本身临界冷却速率的冷却速度对材料进行冷却,使材料温度从2400K快速降温至室温300K，从而形成非晶态合金；
3、在冷却过程中，同步计算各个时间段的径向分布函数值和材料整体的平均温度值；
4、用得到的各个时间段的径向分布函数值，绘制出各时间段的径向分布函数图；
5、观察径向分布函数图中是否出现第二劈裂峰现象，一旦出现第二劈裂峰现象，则证明材料中形成了非晶态结构；
6、根据径向分布函数图与材料整体平均温度值的对应关系，推断出材料的玻璃转变温度值为Tg1；
7、加热已形成的非晶态合金材料，直到材料彻底熔化，此时材料中的非晶态结构已经完全消失；
8、在加热的过程中，同步计算各个时间段的径向分布函数值和材料整体的平均温度值；
9、用得到的各个时间段的径向分布函数值，绘制出各时间段的径向分布函数图；
10、观察径向分布函数图中第二劈裂峰现象是否消失，一旦第二劈裂峰现象消失，则证明材料中已经不存在非晶态结构；
11、根据径向分布函数图与材料整体平均温度值的对应关系，推断出材料的玻璃转变温度值为Tg2；
12、最后得到的冷却得到的玻璃转变温度值Tg1与加热得到的玻璃转变温度值Tg2的平均值，即为该非晶材料的玻璃转变温度值Tg。
本发明与现有技术相比具有如下优点：根据径向分布函数图确定材料的玻璃转变温度区间的方法，无需借用大量繁复的理论公式计算，较大程度的节省了相关科技工作者的时间。
附图说明
图1是晶态金属材料工件的示意图；
图2是晶态金属材料工件的局部放大图；
图3是晶态金属材料工件驰豫400ps后的示意图；
图4是晶态金属材料工件驰豫400ps后的局部放大图；
图5是金属工件材料从2400K降温到300K的示意图；
图6是金属工件材料从2400K降温到300K的局部图；
图7是冷却时间分别为0ps、240ps、300ps、360ps时，对应的材料径向分布函数图；
图8是冷却时间分别为320.00ps、320.04ps、320.06ps、320.08ps时，对应的材料径向分布函数图；
图9是冷却时间分别为330.00ps、339.00ps、340.08ps、400.00ps时，对应的材料径向分布函数图；
图10是加热时间分别为0ps、60ps、100ps、140ps时，对应的材料径向分布函数图；
图11是加热时间分别为116ps、117ps、118ps、119ps时，对应的材料径向分布函数图；
图12是本发明方法的流程图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体的实施例作进一步说明：
采用本发明方法进行金属玻璃Cu50Zr50制备的操作方法如下，其流程图如图12所示；
用分子动力学Fortran语言建立晶态金属材料工件，按照原子晶格大小，将铜原子和锆原子按照1:1的比例均匀布满整个工件空间，形成Cu50Zr50晶态合金，其晶态金属材料工件的示意图和局部放大图如图1和图2所示。然后在2400K的高温环境下，驰豫400ps使晶态材料充分熔化，其驰豫400ps后的示意图和局部放大图如图3和图4所示。
用高于临界冷却速率(1×1012K/s)的速度(5×1012K/s)对材料进行冷却,使材料温度在极短时间(400ps)内从2400K快速降温至室温300K，最终形成Cu50Zr50非晶态合金，如图5和图6所示。
在冷却的仿真过程中，使用径向分布函数计算命令(rdf)和温度计算命令(temp)，同步计算各个时刻的径向分布函数值数据和材料整体平均温度值数据，并将径向分布函数值数据和材料整体平均温度值数据转化为径向分布函数与对应温度值的图。
图7中冷却过程从开始到第300ps时，并没有出现第二劈裂峰现象，证明材料中尚未出现非晶态合金结构；在第360ps时，观察到了出现第二劈裂峰现象，证明材料中已经存在非晶态合金结构。
图8中径向分布函数图首次出现第二劈裂峰现象的四个连续时刻分别为320.00ps、320.04ps、320.06ps和320.08ps，此时对应的平均温度值为Tg1＝720K。
图9中温度从720K到室温过程中，径向分布函数图中第二劈裂峰现象进一步明显，说明材料结构的非晶态合金结构进一步增加了。
图10中加热过程开始到第100ps时，第二劈裂峰现象并没有消失，证明材料中尚存在非晶态合金结构；在第140ps时，观察到第二劈裂峰现象已经消失，证明材料中已经不存在非晶态合金结构。
图11中径向分布函数图首次出现第二劈裂峰现象消失的四个连续时刻分别为116ps、117ps、118ps和119ps，此时对应的平均温度值为Tg2＝747K。因此Cu50Zr50非晶态合金的玻璃转变温度为
根据径向分布函数与材料整体平均温度值的对应关系，可以推断出Cu50Zr50合金材料的玻璃转变温度值为733.5K。这与利用平均原子体积随温度变化关系曲线和模拟耦合理论计算获得的玻璃转变温度值731K接近。根据径向分布函数图确定材料的玻璃转变温度区间的方法，无需借用大量繁复的理论公式计算，较大程度的节省了相关科技工作者的时间。

Claims (1)

1.一种基于分子动力学径向分布函数图确定玻璃转变温度的方法，其特征在于：该方法内容包括以下步骤：
⑴用分子动力学语言建立晶态金属材料工件，在2400K的高温环境下，驰豫400ps使晶态材料充分熔化；
⑵用高于材料本身临界冷却速率的冷却速度对材料进行冷却,使材料温度从2400K快速降温至室温300K，从而形成非晶态合金；
⑶在冷却过程中，同步计算各个时间段的径向分布函数值和材料整体的平均温度值；
⑷用得到的各个时间段的径向分布函数值，绘制出各时间段的径向分布函数图；
⑸观察径向分布函数图中是否出现第二劈裂峰现象，一旦出现第二劈裂峰现象，则证明材料中形成了非晶态结构；
⑹根据径向分布函数图与材料整体平均温度值的对应关系，推断出材料的玻璃转变温度值为Tg1；
⑺加热已形成的非晶态合金材料，直到材料彻底熔化，此时材料中的非晶态结构已经完全消失；
⑻在加热的过程中，同步计算各个时间段的径向分布函数值和材料整体的平均温度值；
⑼用得到的各个时间段的径向分布函数值，绘制出各时间段的径向分布函数图；
⑽观察径向分布函数图中第二劈裂峰现象是否消失，一旦第二劈裂峰现象消失，则证明材料中已经不存在非晶态结构；
⑾根据径向分布函数图与材料整体平均温度值的对应关系，推断出材料的玻璃转变温度值为Tg2；
⑿最后得到的冷却得到的玻璃转变温度值Tg1与加热得到的玻璃转变温度值Tg2的平均值，即为该非晶材料的玻璃转变温度值Tg。
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