文摘

原子的数量的影响,N= 3000,5000,7000,和9000个原子的温度T= 300 K和温度T= 300,500,700,900,1100,1300,1500 KN= 9000原子,在微观结构、相变温度和机械性能的大部分铝无定形状态通过分子动力学方法研究了Sutton-Chen嵌入互动潜力和周期性边界条件。结构分析结果通过径向分布函数,系统的总能量,大小,和普通的邻居分析。相变温度之间的关系是由系统的总能量和温度。机械性能来源于变形沿z轴。它可以指出,当原子数量的增加,径向分布函数的第一个峰的位置变化,第一峰值的高度降低,FCC和HCP结构单元的数量减少,阿莫结构单元数量的增加,系统的总能量增加。可以看出,当温度增加时,第一个峰的位置变化,第一峰值的高度降低,FCC和HCP结构单元的数量减少,阿莫结构单元数量的增加,系统的总能量减少。结果在未来实验研究是非常有用的。

1。介绍

铝(Al)是一个nontaste、无毒和非磁性金属材料与高导电性。它的密度是2.7克/厘米³和地球上的存在。铝比重低、强度高,而且,因此,它是应用于飞机、火箭、汽车,等等。在一个纯态,铝容易与空气反应制定表面氧化层与高稳定性和防腐。铝的结构有多种形式,如二十面体结构和十面体的结构。铝的性质与纳米级研究了扫描隧道显微镜(STM) (1,2),原子力显微镜(AFM) [3- - - - - -5),分子动力学(MD)方法(6)等。

近几十年来,提出了几种方法和开发生产纳米材料控制形态如粒径、表面几何,给他们具体的特点及应用在不同领域(7]。

多孔材料获得铝与起源的材料相比有许多不同的特征。例如,在起源的材料,应力集中在一个点,但在多孔材料,压力传播在整个结构8]。

在实际应用程序中,应用铝多晶体的形式,但在模拟和实验中,铝的形式通常是单晶。在正常压力,铝具有面心立方(FCC)结构(8]。

理论和实验研究在纳米尺度上的研究还是一个新的领域。近年来,一些研究人员一直认为液态的相变晶体和无定形状态等多种因素的作用的升温速率,温度,原子的数量,材料的结构的压力。这些研究实验方法非常困难和较低的稳定。

分子动力学方法被认为是一种非常有效的工具在研究温度的影响,大小等对应力-应变关系(9)、微观结构、相变和动态结晶在镍纳米颗粒10),和铁的磁性纳米颗粒11]。

许多类型的设备和技术,如微型电子机械系统(MEMS)和微观光学电子机械系统(多项)12]在分析nanodevices开发提供有利条件。功能测试等纳米材料的抗拉强度在纳米尺度的实验是非常困难的13]。MD模拟研究许多单晶的行为大部分金属FCC结构如铝、铜、镍、和体心立方(BCC)结构,如铁、铬、和W在单轴重量大的材料质量(14]。

Parinello和拉赫曼15]介绍了一种新的拉格朗日进行MD模拟系统上强调外部。使用这种方法,他们用FCC批量应用单轴应力下网格系统上的外部压力。使用这种方法,他们应用了单轴拉伸的倪周期性边界条件T= 350 K。其密封等。16)提出了一个转换从FCC结构HCP晶体结构结构。晶体是扩大,不断稳定它们破碎。在高温下,系统的直接失败,因为融化是由压力引起的17,18]。

Rentsch和Inasaki19)进行了单轴应力的MD模拟硅。他们分别模拟杨氏模量和硅的表面能是171 GPa和393 Jm⁻²。关注强烈塑性变形(SPD)近年来大大提高,因为许多特殊性能的材料可以被处理了社民党(20.- - - - - -22]。

一系列的最近的研究表明,ECAP可能导致一个原始的结合强度和塑性的铝合金(23- - - - - -25]。这是一个制造业先进材料的要求。这些特性是结合一些混凝土结构的制作和相关具体的处理机制。因此,ECAP的主要困难是一贯的设计和制造工作的工具使用过程中强烈的塑性变形,与仿真方法应用于评价技术参数。从实验数据T= 300 K,纯铝材料的杨氏模量E= 71.9的绩点,刚性模量= 27.2的绩点,应变的因素α= 0.34变形沿z轴。在最近的一次,研究人员认为升温速率的影响,原子的数量,温度和时间的热退火结晶结构和机械性能的镍。根据结果,当温度和升温速率增加,压力降低,当原子的数目和热退火时间的增加,压力增大(26]。到目前为止,没有充分解释的作用温度和原子结构的数量,和无定形铝的力学性能。

在这项研究中,温度的影响在非晶态材料的结构和力学性能研究通过径向分布函数(RDF)、配位数、能源、大小、共同邻居分析(中央社)和应变沿z轴。然而,微观结构和力学性能的变化从一个液态无定形状态,以及原子的密度,尚不清楚,最近,一些论文发表关于铝材料的结构(27- - - - - -29日]。这些结果表明,在水晶铝、第一个峰值的位置径向分布函数的变化从2.8到2.85 (27,29日),在非晶态铝,这个职位减少2.75 (28,30.[3.24],和实验数据31日]。此外,我们对相变的机制的理解从无定形状态到液态仍有许多限制。因此,研究一些具体的影响因素对微观结构、相变温度、和无定形铝的力学性能将有重要的贡献在液态材料研究,无定形状态,未来的结晶状态(32]。

部分1微观结构的简要回顾,相变温度,无定形铝的力学性能。部分2是关于计算的方法。部分3仿真结果和讨论,以及部分4指的是结论。

2。的计算方法

最初,无定形铝(Al)原子密度的随机陷入一个立方体ρ= 2.9克/厘米³升温速率为4.10¹³K / s,每一步的时间2 fs设置无定形铝通过医学方法Sutton-Chen嵌入互动潜力(33,34)和周期性边界条件(33,34]:

材料的主要参数表1。在这个表中,r_ij之间的距离吗我th原子和jth原子,一个是一个参数的长度尺寸,ρ_我的密度是我th原子,E_合计系统的总能量,Φ(r_ij)之间的能量我th原子和jth原子,F(ρ_我)上的相互作用力我th原子,r_c是断开的半径,ε是能源,C,米,n,N是常数。

和样品N= 3000、5000、7000和9000个原子T= 300 K和示例N= 9000个原子T= 300,500,700,900,1100,1300,1500 K与4×10运行⁴步骤NVT(保持N, ,T= const)和2×10一起运行⁵步骤NVE(保持N, ,E=常量)的步骤,使样品得到平衡态。通过RDF获得样品的结构进行了研究,可以,通过应变沿力学性能进行了研究Z -轴如下(26]: 在哪里 , 在初始时间样本的大小t= 0和时间t,应变沿Z -轴,anpha是应变因素(1 /绩点),是压力(GPa),E杨氏模量(GPa),的质量吗我th原子,的速度吗我原子沿轴 , 的速度吗我原子沿轴 , 之间的相互作用力吗我th原子和jth原子,之间的距离吗我th原子和jth原子,的体积吗我th原子,刚性模量。确认这个结果的准确性,我们使用工具,如中心对称的35,36],键角分析[37),键序(38]。

3所示。结果与讨论

3.1。数量的原子的影响

径向分布函数(RDF)大部分铝样品N= 3000、5000、7000和9000个原子T= 300 K表所示2和图1。

根据图1和表2,当原子数量的增加N= 3000个原子N= 5000、7000和9000个原子,RDF主导的第一高峰,这个峰值的位置变化很少r= 2.76r= 2.78。其他的仿真结果r= 2.8,2.85 (27,29日(2.75),28,30.),和实验数据r= 3.24 (31日]。这个结果表明,大部分铝样本不存在的订单在不久的秩序,但总是存在和原子之间的距离变化非常小。同时,第一峰值的高度RDF变化强烈。当原子数量的增加N= 3000N= 5000、7000和9000个原子,最初,第一个峰值的高度降低(r)= 6.383(r)= 6.264,然后增加(r)= 6.264(r)= 6.491。这表明3000年的样品原子原子还不够散装材料。只有当原子数量的增加N= 5000个原子N= 9000原子,第一个峰值的高度增加,第二个峰值的RDF是分成两个新的高峰,约等于2.10高地后退火⁵位移的步骤。这一结果表明,原子的密度增加,样品,一直存在两种结构的FCC和HCP当原子数量的增加。同样的,当增加原子的数量N= 3000N= 5000、7000和9000个原子T= 300 K,那么样品减少强烈的总能量E_合计= -359.198E_合计= -598.618、838.124−−1077.596 eV,样本大小的增加= 7.09海里= 8.31,9.30,和10.11 nm,和,因此,原子的密度增加。接下来,CNA用来分析结构的形状。结果提出了数字2- - - - - -4和表3。

的样品N= 3000个原子T= 300 K是立方体的形状(图2(一个)),只有FCC结构存在,哪里有13个共同邻居的FCC结构和2987共同邻居阿莫结构(图3)。当原子数量的增加N= 3000N= 5000、7000和9000年,FCC结构变化的共同邻居从13到26日,78年和62年,常见的邻居HCP结构变化从0到32岁,今年58岁,到130年,常见的邻居FCC和HCP结构变化从13岁到58,136年和192年,和共同的邻居阿莫结构变化从2987年到4942年,6864年和8808年。当原子数量的增加N= 3000N= 5000、7000和9000个原子,常见的邻居结构变化从0.43%提高到2.17%,FCC和HCP结构出现,和样品的原子密度增加(据表3),同意仿真和实验结果。非晶态材料退火T= 300 K,晶体原子的密度增加很少,而且,因此,材料的非晶状态总是存在于一个平衡态。根据图4的样本N= 3000原子,样品的应力最大值。当原子数量的增加N= 3000N= 5000、7000和9000个原子,样品的压力减少,当原子的数量N= 9000原子,样品的压力增加了。样品的变形是由在一个非常小的球体。线性变形显示的示例N= 9000个原子Tanpha = 0.0202 = 300 K的应变因素和杨氏模量E= 49.56 GPa(见表4)。无定形铝的杨氏模量小于晶铝,仿真结果是在良好的协议与实验结果水晶镍和铝T= 300 K与E= 71.9的绩点,= 27.2的绩点,µ= 0.34 (37]。当原子数量的增加N= 3000N= 5000、7000和9000个原子,弹性模E,增加,应变的因素减少。这表明材料导致散装材料,和数量的原子的影响结构和无定形铝的力学性能存在。我们选择的样本N= 9000个原子的影响研究温度对非晶的结构和力学性能铝在下一节。

3.2。温度对结构的影响,相变温度和力学性能

3.2.1之上。温度对结构的影响

根据表5和图5当温度升高T= 300 KT= 500,700,900,1100,1300,和1500 K, RDF主导的第一峰值(见图5),这个峰值的位置变化非常小r= 2.76r= 2.78(表5)。这个结果表明,大部分铝样品中不存在长期订单但总是存在于附近的订单和原子之间的距离变化非常小。另外,第一个峰值的高度变化强烈。当温度升高T= 300 KT= 500 KT= 700 KT= 1100 K,第一个峰值的高度降低,原子的密度增加。当温度升高T= 500 KT= 700 KT= 1100 KT= 1500 K,第一个峰值的高度增加,和原子的密度减少。此外,第二个峰值的RDF是分成两个新的高峰,约等于2.10高地后退火⁵位移的步骤。这一结果表明,原子的密度增加,样品,至少存在两个结构当温度增加。大部分铝样品的形状和特征量与9000个原子T= 300,500,700,900,1100,1300,和1500 K图6和表6。

根据图6和表6原子有一个立方体的形式。他们是由一种铝原子和分布均匀的立方体。当温度升高T= 300 KT= 500,700,900,1100,1300,和1500 K,样本的能量增加E_合计=−1077.59E_合计1047.66 1056.39 1072.98 =−−−−1037.88−1028.97−1021.25 eV,样本的大小不会改变,,因此,原子材料的密度增加。接下来,CNA用来分析结构的形状。结果呈现在图6。

根据图6的样本N= 9000个原子T= 300 K, FCC和HCP结构存在,哪里有192的共同邻居水晶铝(62共同邻居的FCC结构和130的共同邻居HCP结构)和8808年共同邻居的无定形铝。当温度升高T= 300T= 500,700,900,1100,1300,和1500 K,常见的邻居FCC结构变化从62年,51岁,今年58岁,42岁,58岁的64年,51岁的共同邻居HCP结构变化从130年到118年,123年,153年,95年,95年和71年,和共同的邻居阿莫结构变化从8808年到8831年,8819年,8805年,8847年、8841年和8878年。当温度升高T= 300T= 500,700,900,1100,1300,和1500 K,常见的邻居结构从2.13%降低到1.35%,并且总是FCC和HCP结构存在。同意仿真和实验的结果。当温度升高T= 300T= 500,700,900,1100,1300,和1500 K阿莫铝结构,原子的密度降低,材料的非晶状态总是在平衡态存在。

3.2.2。温度对相变温度的影响

为了研究模型的相变温度,能量和温度之间的关系在平衡态是策划。结果如表所示6和图7。

根据表6和图7,当温度增加T= 300 KT= 1500 K,能量增加线性,表明不存在相变温度为无定形铝材料。结果确认数量的原子的影响和温度对非晶铝材料的结构和力学性能。由于尺寸效应和能量效应当原子数量的增加,也会增加大小。可以看出,当温度增加时,能量增加,原子密度的增加,结构的变化。因此,当原子数量的增加,力学性能增加,当温度升高时,力学性能下降。

3.2.3。温度对力学性能的影响

根据图8当温度升高T= 300 KT= 500,700,900,1100,1300,和1500 K,应变的因素也会增加从anpha anpha = 0.01913 = 0.01909, 0.01931, 0.01945, 0.01965, 0.01974,和0.01983,杨氏模量降低E= 52.36的绩点,E= 52.28,51.78,51.42,50.89,50.65,和50.43的绩点,刚性模量也减少= 19.537的绩点,= 19.507,19.321,19.186,18.988,18.899和18.817的绩点(图8)。无定形铝的杨氏模量小于晶体的铝和这些仿真结果与实验结果吻合较好,倪水晶和艾尔T= 300 K与E= 71.9的绩点。

4所示。结论

通过研究和调查的过程结构和无定形铝的力学性能N= 3000,5000,7000,和9000个原子的温度T= 300 K和无定形铝N= 3000个原子的温度T= 300,500,700,900,1100,1300,和1500 K,我们有以下结论:与Sutton-Chen嵌入互动潜力,周期性边界条件,和选择参数,获得结构的结果与先前的结果有很好的一致性(27- - - - - -31日]。原子的数量和温度的影响在结构和无定形铝的力学性能是由尺寸效应引起的。它可以指出,当温度增加时,原子的密度减少,FCC和HCP结构单元的数量减少,阿莫结构单元数量的增加,材料的能量增加,弹性模E,降低,应变因素anpha增加。可以看出,当原子数量的增加,规模的增加,FCC和HCP结构单元数量的增加,阿莫结构单元的数量减少,材料的能量减少,弹性模E,增加,应变因素anpha减少。结果有很好的一致性,倪水晶结果(26]。我们的结果的影响,温度对结构和无定形铝的力学性能N= 3000,5000,7000,和9000个原子的温度T= 300 K和无定形铝N= 3000个原子的温度T= 300,500,700,900,1100,1300,1500 K具有重要的现实和科学意义。这些结果作为基础实验研究非晶态金属材料在未来。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

信息披露

资助者没有作用的设计研究;在收集、分析或解释数据;写的手稿;或决定发布结果。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

老爷Tran Quoc执行验证,提供资源,草案写道。粪便阮阮富仲进行概念化、方法调查、资源、监督,草稿准备,和正式的分析。ŞtefanŢălu进行审查和编辑。