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金属的熔化规律属于凝聚态物质的物性及其变化规律的研究范畴,是凝聚态物理中最古老的研究问题之一。近年来随着实验高压技术的不断改进,使得高压下金属的熔化规律成为21世纪物理学研究领域的前沿课题之一。但是目前实验上对金属材料在高温高压极端条件下物性的测量仍存在较大的难度,得到的结论也不统一,这就需要理论上的分析和计算机模拟。本文采用基于热力学积分的自由能方法,通过分子动力学模拟研究,计算了金属在零压和一定高压下的熔化温度。本文的主要内容和结论如下:
1.以金属Al为例,首先以勒纳琼斯液体为液相参考系统计算零压下的熔化温度,并与以理想气体为参考系统得到的结果进行比较。通过计算可以得到,以勒纳琼斯液体为参考系统得到零压下Al的熔化温度为875±58K,比以理想气体为参考系统得到此时的熔化温度800±9K更接近实验值933K。
2.采用Mishin、J.Cai等人设计的埋入原子势函数(EAM),通过直接计算方法得到零压下过渡金属Cu、Ag、Au的熔化温度范围分别为:880K~1311K,720K~1025K,648K~920K。采用自由能方法得到零压下Cu、Ag、Au的熔化温度分别为1027±30K,930±20K,828±50K,均在由直接计算方法得到的熔化温度范围内,但是比实验值偏低。在熔化温度上的热力学量熔化焓△H,,熔化熵△sf,熔化时体积变化的百分比△V/Vs以及熔化曲线在零压下的温度对压强的偏导dTf/dP的结果与实验结果以及其他人的计算结果均比较接近。
3.采用自由能方法计算了15GPa范围内金属Cu的熔化温度,得到的熔化温度仍偏低于测量结果。压强较低时,计算结果与实验值之间的差别较大,随着压强的增大,计算结果与实验结果两者间的区别逐渐变小。