钢液中纳米夹杂物的分子动力学模拟介绍
双铁块约束的2纳米颗粒(金刚石和二氧化硅)摩擦学性能的分子动力学模拟
双铁块约束的2纳米颗粒（金刚石和二氧化硅）摩擦学性能的分子动力学模拟关键词：金刚石纳米颗粒二氧化硅纳米颗粒分子动力学摩擦学行为摘要通过分子动力学模拟对金刚石和二氧化硅（SiO 2）纳米粒子的摩擦学行为进行了检查；四例模拟。
在低速和低负载下，纳米颗粒把两个块彼此分离，并起着球轴承的作用。
由于行动的纳米颗粒，塑料变形，温度分布，和摩擦力均得到改善。
然而，当负载增大时，变形，进而引起滚动效应的损失，会产生纳米SiO 2颗粒的破碎。
没有纳米粒子，传输层在高速和低负载形成。
这2纳米颗粒提供了一定时间的支撑。
然而，在高的速度和高负载，在一个短的滑动时间内这些纳米粒子的支持效果变遗失。
引言添加纳米颗粒大小为1～120纳米的润滑油作为减摩抗磨添加剂在最近几年已收到显着的注意。
实验结果表明，各种纳米粒子如金属，金属氧化物，硫化物，非金属和稀土可以提高减摩抗磨性能的润滑油。
然而，这些纳米粒子的润滑机制仍不能被完全理解。
这些润滑机制目前主要通过实验方法研究。
事实上，研究人员已经提出了几种机制，这些机制是基于扫描电子显微镜图像和能量色散谱谱的磨损表面的分析。
这些机制包括：（一）（a）滚动摩擦（b）第三体材料（c）表面保护膜和（d）自修复效应。
然而，这些机制是揣摩性的，即，仅仅根据实验结果，但缺乏理论支持与直接证据。
表示，一般试验中的润滑状态是边界润滑，薄膜润滑，和弹流润滑。
此外，纳米粒子的润滑机理随着润滑状态的变化而变化。
还有关于导致减摩抗磨纳米润滑表面的主导机制没有达成共识。
例如，ghaednia和杰克逊是不确定是否纳米粒子，可以转动可以起到纳米球轴承的作用，可能会引起磨粒磨损，或在粗糙的顶部形成tribolayers。
周和李质疑是否真的是纳米金刚石颗粒真的会表现出滚珠轴承的作用。
这些问题是不容易解决的实验。
因此，对于他们的决心，额外的研究方法是必不可少的。
对于纳米摩擦学行为的实验研究，分子动力学模拟方法一般是认为是一个非常有用的补充工具。
基于分子动力学模拟的金属材料纳米加工机理研究进展
Volume29Number8The Chinese Journal of Nonferrous Metals August2019 DOI：10.19476/j.ysxb.1004.0609.2019.08.09基于分子动力学模拟的金属材料纳米加工机理研究进展刘欢，郭永博，赵鹏越，苏殿臣(哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨150001)摘要：微纳器件已经广泛应用于光学、电子、医学、生物技术、通信、航空航天等领域，研究金属材料在纳米尺度下的变形特性及材料的去除机理对实现微纳器件的功能具有重要意义。
利用分子动力学(Molecular dynamics, MD)模拟方法可以实现对纳米加工过程的“实时在线”观察，从而能够更好地理解金属材料的纳米加工机理。
从纳米压痕和纳米加工两个方面，阐述近年来金属材料纳米加工机理的研究进展，指出目前MD模拟方法的一些不足并提出几个改进建议。
关键词：分子动力学；金属材料；加工机理；纳米切削；纳米压痕文章编号：1004-0609(2019)-08-1640-14中图分类号：TG501.1文献标志码：A微纳米加工制造技术已经广泛应用于生物、化学、航天、医药、通信等领域[1−2]。
然而，当工件的结构尺寸从微米级过度到纳米级时，由于尺寸效应、表面效应和量子效应等方面的影响，材料在物理、化学、摩擦、机械等方面会呈现出不同的特性[3]。
例如，宏观上为绝缘体的Si在纳米尺度下变为导体，宏观上不透明的Cu在纳米尺度下呈现透明状态，宏观上化学性质稳定的Al在纳米尺度下变成了可燃物。
因此，实现在纳米尺度下操作原子的纳米加工制造技术给人们带来了无限遐想，也将使21世纪的科技变得无限可能。
目前制造业对加工精度的要求日趋严苛，产品向小型化、高可靠性、高集成度方向发展的趋势也越来越明显。
微型发动机、微型反应器、微型热交换器、微型医用植入体等微纳器件在今后的科技发展中将起到至关重要的作用[4−5]。
α-Fe和γ-Fe长程F-S势的分子动力学模拟
α-Fe和γ-Fe长程F-S势的分子动力学模拟程江伟;张先明;吴永全;王秀丽;郑少波;蒋国昌【期刊名称】《物理化学学报》【年(卷),期】2007(23)5【摘要】根据Sutton等推导面心立方金属长程F-S势函数的方法推导得到α-Fe 和γ-Fe的最优参数分别为,ε=0.2453,a=0.28664 nm,n=7,m=4,c=7.7525和ε=0.0006,a=0.36467 nm,n=15,m=4,c=1104.7351.用所推导的势参数对常压下不同温度时α-Fe和γ-Fe的性质进行了分子动力学(MD)模拟,结果表明,计算得到的Fe的微观结构(径向分布函数,配位数,原子的配位状态)和宏观物性(线性膨胀,密度)都能与实验结果相吻合,说明所推导的长程F-S势函数参数适用于α-Fe和γ-Fe 的MD模拟.【总页数】7页(P779-785)【作者】程江伟;张先明;吴永全;王秀丽;郑少波;蒋国昌【作者单位】上海大学材料科学与工程学院,上海市钢铁冶金重点实验室,上海,200072;上海大学材料科学与工程学院,上海市钢铁冶金重点实验室,上海,200072;上海大学材料科学与工程学院,上海市钢铁冶金重点实验室,上海,200072;上海大学材料科学与工程学院,上海市钢铁冶金重点实验室,上海,200072;上海大学材料科学与工程学院,上海市钢铁冶金重点实验室,上海,200072;上海大学材料科学与工程学院,上海市钢铁冶金重点实验室,上海,200072【正文语种】中文【中图分类】O641;TF01【相关文献】1.嵌入纳米Fe颗粒的Fe液凝固过程的分子动力学模拟 [J], 吴永全;沈通;陆秀明;张宁;赖莉珊;高帅2.长程有序金属间化合物FeAl和Fe_3Al合金的高温氧化行为 [J], 谭明晖;郭建亭;孙超;李辉;赖万慧;王淑荷3.不同温度下Cu/FeS复合材料摩擦过程中组织演变的分子动力学模拟研究 [J], 洪振军;陈敬超;冯晶4.反应合成Cu/FeS复合材料摩擦磨损分子动力学模拟 [J], 洪振军;陈敬超;冯晶;胡付立5.微量镁对长程有序金属间化合物Fe_3Al和FeAl力学性能的影响 [J], 郭建亭;殷为民;金瓯因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
纳米颗粒在流体中的输运特性模拟
纳米颗粒在流体中的输运特性模拟简介纳米颗粒在流体中的输运特性模拟是研究纳米材料与流体相互作用的重要手段之一。
通过模拟纳米颗粒在流体中的输运过程，可以深入了解纳米颗粒在流体中的行为和性质，为相关领域的应用提供重要的理论指导和实验参考。
本文将介绍纳米颗粒在流体中输运特性模拟的原理、方法和应用。
原理纳米颗粒在流体中的输运特性受到多种因素的影响，包括颗粒的形状、大小、表面性质以及流体的黏度、密度等。
基于分子动力学（Molecular Dynamics, MD）的模拟方法是研究纳米颗粒在流体中输运特性的常用手段之一。
其基本思想是将系统中的每个分子都看作一个质点，通过计算分子之间的相互作用力，可以模拟分子在时间上的演化过程。
在纳米颗粒与流体相互作用的过程中，主要存在两种力：粘附力和流动力。
粘附力是指纳米颗粒与流体分子之间的吸引作用，主要由范德华力和静电相互作用力构成。
流动力是指流体分子对纳米颗粒施加的推动和阻力作用，主要由黏滞力和惯性力构成。
通过模拟计算这些力的作用，可以研究纳米颗粒在流体中的输运特性。
方法纳米颗粒在流体中的输运特性模拟需要解决的关键问题是：如何准确描述分子之间的相互作用力，以及如何处理大规模分子系统的计算问题。
为了解决这些问题，采用了以下方法：分子动力学模拟分子动力学模拟是一种基于牛顿运动定律的模拟方法。
在模拟过程中，需要给定初始位置和速度，并计算分子之间的相互作用力。
通过数值积分求解牛顿运动定律的微分方程，可以得到系统在时间上的演化过程。
分子动力学模拟可以模拟大规模分子系统的动力学行为，具有较高的计算效率和精度。
力场模型力场模型是描述分子之间相互作用力的数学模型。
在纳米颗粒与流体相互作用模拟中，通常采用分子力场（Molecular Force Field, MFF）模型来描述纳米颗粒和流体分子之间的相互作用力。
常用的分子力场模型包括经典力场和量子力场。
经典力场模型假设原子和分子是刚性球，在描述分子间相互作用力时，通过定义离子偶极矩、电荷分布等参数来表示分子之间的相互作用力。
微纳米尺度下材料力学行为的模拟与实验研究
微纳米尺度下材料力学行为的模拟与实验研究随着微纳米科技的快速发展，对材料力学行为在微纳米尺度下的研究越来越受到关注。
微纳米尺度下材料的特殊性质和行为使得传统的连续介质力学理论无法详尽解释和预测材料的力学行为。
因此，模拟与实验研究在这一领域的发展变得至关重要。
一、微纳米尺度下材料力学行为模拟的方法与进展1. 原子分子动力学（MD）模拟原子分子动力学（MD）模拟是一种重要的方法，用于模拟物质在原子尺度下的运动。
它基于牛顿运动定律，通过计算每个原子的受力和能量，模拟材料的力学行为。
MD模拟可以提供详细的原子尺度信息，包括应力、变形等。
然而，由于材料在微纳米尺度下存在大规模的原子移动和变形，MD模拟的计算量非常大，限制了其应用范围。
2. 分子动力学（MD）模拟分子动力学（MD）模拟是一种模拟方法，用于研究材料的力学行为。
与原子分子动力学（MD）模拟不同，分子动力学（MD）模拟将材料看作是由分子组成的，能够模拟材料的变形、断裂等力学行为。
分子动力学（MD）模拟可以在较大尺度上模拟材料的行为，但仍存在计算量大的问题。
3. 有限元法（FEM）有限元法（FEM）是一种用于分析材料和结构力学行为的数值方法。
它将材料和结构分割成离散的有限元素，通过求解离散方程得到材料的应力和变形。
有限元法（FEM）可以模拟不同尺度的材料，包括微纳米尺度下的材料。
但是，由于有限元法（FEM）基于连续介质力学，对于描述原子尺度下的行为仍然存在局限性。
二、微纳米尺度下材料力学行为实验的方法与进展1. 原子力显微镜（AFM）原子力显微镜（AFM）是一种常用的表征微纳米尺度下材料力学行为的实验方法。
通过在材料表面扫描探针，可以获得材料表面的高度信息，从而了解材料力学行为。
原子力显微镜（AFM）不仅可以测量材料的表面形貌，还可以测量纳米尺度下的力学性质，如刚性、弹性等。
2. 压痕实验压痕实验是一种常见的实验方法，用于研究材料的力学行为。
通过在微纳米尺度下对材料进行压痕，可以获得材料的硬度、弹性模量等力学参数。
纳米Al2O3颗粒对纯Fe液诱导凝固过程的分子动力学模拟
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１４ ３７
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纳 米 ＡＩ 颗 粒 对 纯 Ｆ ２ Ｏ３ ｅ液 诱 导 凝 固过 程 的分 子 动 力 学模 拟
赖莉珊 吴永全 沈 通 张 宁 高 帅
（ 上海大学上海市现代冶金及材料制备 重点实验 室， 上海 ２ ０ ７ ） ０ ０ ２ 摘 要： 采 用分 子动 力学 （ 方法 模拟 了不 同半径 大小 的纳米 Ａｚ 颗粒 夹杂在 三个温 度 ￣（７ ０ １ ３ ＭＤ） ｌ ０。 １ ５ 、 ７ ０和
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分子动力学模拟及其在纳米加工中的应用
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第 ５卷 第 ３ 期
２ ０ １ ４年 ３月
黑龙江科学
ＨＥＩ Ｌ ＯＮＧＪ Ｉ ＡＮＧ Ｓ ＣＩ ＥＮＣＥ
Ｖ０ １ ． ５ Ｎｏ ． ３
ｍａ ｒ ｃ ｈ ２ ０ １ ４
分 子 动 力 学模 拟及 其在 纳 米 加 工 中的应 用
谢 富华 ， 郭晓云 ，陈 家轩 ， 魏 天路
削单晶铜仿真模型 ， 验证 了分子动力学能够作为一种有效 的仿真工具 帮助人们认识微观世界 ， 并且探讨 了其研究现状 的不
足及进 一步研究 的方 向。 关键词 ：分 子动力学 ； 有 限差分 算法 ； 原子 间作 用势 ； 纳米加工 中图分类号 ：Ｔ Ｋ １ ２ ３ ； ０６ １ ４ 文献标志码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ６ ７ ４ － ８ ６ ４ ６ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ － ０ ０ ２ ７ － － ０ ３
ＸＩ Ｅ Ｆ ｕ ． ｈ ｕ ａ ，ＧＵ０ Ｘｉ ａ ｏ ． ｙ ｕ ｎ ，Ｃ ＨＥＮ Ｊ ｉ ａ — ｘ ｕ ａ ｎ ，Ｗ Ｅ Ｉ Ｔ ｉ ａ ｎ — ｌ ｕ
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钢液中纳米夹杂物的分子动力学模拟介绍
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钢液中纳米夹杂物的分子动力学模拟
姓名：韩剑学号：20１403047
一、宏观动力学的发展历程
冶金物理化学是冶金工艺发展的理论基础,而冶金过程宏观动力学是冶金物理化学的一个重要内容,其研究方向和水平同冶金工业的发展密切相关。
从上述研究可以看出，MD方法是一种较为有效的研究冶金熔体结构的计算机模拟技术。随着洁净钢冶金技术的发展，需要对冶金过程中微、介观尺度的钢液和夹杂物的结构及行为等进行研究,分子动力学方法在钢铁冶金中将有越来越广泛的应用。
三、钢液中纳米夹杂物的分子动力学模拟
钢中夹杂物形核与长大过程、金属熔体凝固、第二相析出过程等,均要经历纳米尺度的形核与生长阶段,以往的研究基本是基于传统的热力学、界面和动力学理论。关于纳米材料特性的研究表明，纳米尺度材料的性质受材料尺寸影响［10]。因此,笔者希望在考虑纳米小尺寸效应的基础上，对夹杂物形核与生长初期过程的热力学进行ＭＤ模拟研究，进而研究钢液－纳米夹杂界面性质、夹杂形核与生长的纳米尺度动力学等问题。对钢液中夹杂物形核过程的钢液-纳米夹杂界面能进行了研究，得到界面能与夹杂尺寸的关系为：
在金属和液态金属方面，贾瑜等［5]通过嵌入型原子间相互作用势的MD模拟,计算了理想体心立方结构的金属Fe[０0１]晶带的表面能随角度变化曲线，得到了更具物理意义的公式，并由此推出表面能与原子的紧密程度成反比。韩秀峰［6]利用自编的非平衡动力学ＭD程序，对液态金属Co进行模拟计算，成功得出剪应力使体系的无序度增大的结论,并得到其粘度和激活能的值;同时，采用几种作用势对液态Al的模拟计算都得到非常接近的粘度值,证明了MD计算熔体粘度的可行性。王荣山等[７]模拟液态Cu的等温凝固过程,得出低温下的等温凝固可得到非晶结构Ｃu，高温下等温凝固得到过冷液体结构,晶态结构只有在适当温度才能得到,其三维结构取决于Ｃu原子两个方向的扩散和弛豫。赵毅等[8］用MD对金属熔体Ni3Al形核进行了模拟,发现非晶团簇不参与形核过程，晶核为不规则的fcｃ结构和ｈcp结构的混合体。丛红日等[9]通过ＭＤ证明液态Ａl80Fe2０中存在较强化学序,导致该熔体呈现一定的有序性。
二、分子动力学在冶金研究中的应用进展
目前，分子动力学模拟方法在冶金,特别是钢铁冶金领域应用很少。针对硅酸盐炉渣体系，吴永全等[1]采用MＤ方法模拟计算了CaO－ＳiO2、Al2O3-ＳｉＯ2、CａO-Ａl2Ｏ３和CａO-Aｌ2O3-ＳｉO2的结构;同时，采用高温拉曼检测对比分析。研究认为,常压下硅酸盐炉渣中Si以非常稳定的SiO44-四面体结构存在，并得到了Si-O键长和键角等相关数据；Ca在渣中起破坏网格作用，Al有助于形成网格,主要以ＡlO45-四面体存在，但稳定性不如SiＯ44-，并模拟得到AlO４5-和ＳiO44-的差异；同时,模拟认为渣中存在桥氧Ｏb、非桥氧Ｏnb和自由氧Of,并获得了3类氧之间的平衡关系式。张毅刚[2]利用ＭD研究计算出Mg2SｉO4的粘滞度。谢刚等[3］采用ＭD方法模拟(ＬaＦ3)x（LiＦ)1－x熔盐体系的结构,认为在（LaF3)x（ＬｉF)１-x熔盐中La-F配位数主要为７，且比较稳定,波动范围在7.33~7．75之间,并计算了F-La－Ｆ键角范围;锂离子是电流的主要携带者,其次是氟离子；ＬaF3浓度增大会降低各离子扩散系数,使正负离子分布更加松散。同时，对LaCl３-KCl体系的ＭD模拟表明,熔体中镧氯络离子很稳定，La-Ｃｌ配位数在６.75~7.７5之间。侯怀宇等[４］用MD方法分别模拟了稀土金属La、Gd、Ｙ的氯化物的熔盐结构,认为3种熔盐都以配位数为6的正八面体结构存在,键角分布在80~９0°之间；LaCl3在熔盐中正负离子分布较为混乱松散,配位数较高。
回溯冶金工业近40年的发展历程,大型设备（诸如高炉、密闭鼓风炉、转炉、精炼炉等)出现后,冶金生产发展到了高效率、高产量、成熟、完整的工艺阶段。冶金科技工作者始终把注意力集中在“强化现有冶炼工艺”上。研究氧与铁液中各元素的反应，从热力学证实降低一氧化碳分压,提高了碳的脱氧能力和固体碳的还原能力。于是，５0年代在工艺上相继出现真空冶金、真空处理、真空碳热还原提取金属。元素氧化热力学规律的研究,实现了返回吹氧法冶炼不锈钢及纯氧炼钢,强化了冶金工艺过程。研究液-液分配平衡的成果,导致在湿法冶金中出现液相萃取冶金。60年代，为适应强化了的冶金工艺要求,对熔体反应动力学、冶金电化学以及快速测试方法进行了大量的研究工作。７０年代,出现了冶金上三大发明,即炉外精炼、喷吹冶金和浓差电池定氧。此外,高效节能的电极材料相继出现。于是冶炼时间缩短,工艺强化,能耗降低，产品质量提高。80年代科学技术迅速发展,新技术倍出，计算机普及、激光、等离子体、遗传工程等迅速发展并开始向冶金学科渗透。于是开始利用遗传工程研究生物冶金，应用等离子体研究超高温下冶金反应的物理化学规律,利用低能核物理技术研究金属表面与界面的物理化学等等。较为突出的是用计算机模拟冶金反应过程和冶金系统工程,开始探索新的冶金工艺。如熔融态还原与快速凝固配套的冶金生产全流程的设想,在国内外均已开始进行具有相当规模的试验或半工业试验研究。传统冶金工艺的改造要依靠冶金物理化学理论的研究,而冶金新工艺的探素尤其离不开冶金物理化学研究的先行。