高压下过渡金属原子势函数的研究

高压力的产生和高压下物理行为的检测需要发展特殊精巧的实验技术和方法，受试样量和测量时间的限制使得实验手段提供的信息有限。动态高压下材料在瞬间发生的微观结构和物性变化使得实验方法与第一原理计算都难以应用, 原子模拟成为开展动态高压物理研究的重要手段，原子间相互作用势函数是模拟研究的核心。目前的势函数仅拟合材料平衡态下的实验数据，难以直接应用于高压下材料物性的研究。本项目以我们发展的嵌入原子模型为框架，以密度泛函理论为依据，结合实验测量结果和高压状态方程，通过高压条件下的拟合方程将有关高压物性的信息以参数化的形式融入势函数，建立适用于高压环境下研究材料物性的嵌入原子模型。计算铜和铁元素在高压下的基本物性，预测出铁相变的压力阈值和刃位错形成能，模拟分析铜在动态加载下微观结构与相关力学性能的变化规律。本项目将使我们所发展的势函数推广应用到高压等极端条件，为高压环境下材料的研究提供有力的工具。

本工作已按项目要求完成了铁和铜的EAM势模型构建，重点考虑了铁高压相变特性，并对相关的基本物理性质（层错能、弹性系数、能量-体积关系、物态方程、声子谱及熔点等）进行了验证。验证结果表明，所拟合的铁和铜的势函数模型可以很好描述其物理性质和力学行为，发展的势函数模型和方法可推广应用于高压下材料物性的研究。为了检验所发展势函数模型在高压下的有效性，我们主要以目前研究较多又存在明显不足的铁在高压下的行为为例，采用了非平衡分子动力学方法，分别模拟了单晶铁、多晶铁的冲击响应及单晶铁的ramp压缩行为，所得结果与已有的研究结果很好的符合，同时还弥补了先前在这一领域研究的不足，比如冲击相变前的塑性、相变引起的FCC相的比例过大等问题。同时还专门发展了一些特殊的分析手段，成功地揭示了冲击压缩单晶铁的塑性与相变的联系，给出了单晶铁冲击响应的完整过程。对多晶铁的冲击模拟发现，相变的压强判据过于简单，不足以解释相同冲击强度下各晶粒中相变情况不同原因，我们将其归因于晶体的各向异性与冲击取向之间的特殊关系，提出了这种条件下的一种近似的微观相变判据。此外，还研究了相变对多晶织构影响。最后，作为与冲击加载方式的对比，我们研究了单晶铁在不同上升时间的ramp压缩下的响应，发现了ramp压缩下的一些与冲击加载明显不同的特征，比如能达到的最大应力，温度效应等等，都与实验上的结论相一致。在此基础上，我们对单晶铁的微结构响应做了细致的分析，发现相变规律与ramp上升时间有关，还对压缩和剪切的相对贡献量做了初步的讨论。由于目前已经存在公认的能适用于高压环境的铜的EAM势函数模型，并已用于各种条件下的动态模拟。本工作中也对单晶铜的进行了动态模拟，所得的结果与实验和公认的铜的EAM势模型一致。