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摘要：采用分子动力学方法对处于不同温度下的液态金属Fe的微观结构进行模拟分析，分别对不同温度下的多面体指数和配位数数据进行研究，结果显示：当体系处于1900K和2000K时，代表Bcc结构多面体指数<0608>所占比例远远大于其余多面体指数；当体系处于2100K，2200K和2300K时，随着温度升高，液态下存在的多面体指数减少，代表稳定的二十面体和变形二十面体结构减少，所以体系会更不稳定；当体系处于1900K和2000K时，主要配位数为14，其数量随温度的升高而减少；当体系处于2100K，2200K，2300K时，其主要配位数CN=13，CN=14，CN=15的数量随温度升高而减少。
关键词：分子动力学模拟、液体金属、多面体指数、配位数
引言
金属Fe金属冶炼行业中一种非常重要的原材料。存在方式有化合物以及合金等，如钢铁，所以对Fe金属结构的研究显得尤为重要。如若研究其宏观性能与微观结构之间的关系，对其液态下结构的研究是很有必要的金属的凝固过程以及在凝固形核后的结构形貌都与金属的熔体有着密切的联系，熔融状态下的金属可经过充分精炼后制造出来。在一些金属材料制备的过程中，对熔融状态下的金属进行凝固处理，可以得到所需要的材料。金属在液态下的团簇数量及类型对凝固前期的形核具有一定的影响，因此深入了解金属在熔融状态下的团簇结构，可在金属材料凝固的过程中选择更好的工艺手段，进而预测和掌控金属的组织形貌，改善金属的机械性能，从而可以获得人们所需要性能的金属材料，扩展金属在各个领域中的应用市场[1]。由于大多数金属的熔点很高，要想研究液态金属的微观结构很难实现。随着计算机技术的快速发展，使用计算机模拟方法为研究液态金属微观结构演变提供了可能。近年来，对液态金属微观结构的研究得到了许多进展，张海涛等人[2]对液态金属Ga急冷凝固中微观结构转变进行模拟研究，得到其微观表征（双体分布函数、键型指数等）的变化；刘让苏等人[3]研究了液态金属In凝固过程中微观结构转变。
本文利用分子动力学模拟方法，基于LAMMPS软件进行模拟。研究了不同温度对液态金属Fe多面体指数数量和配位数的影响。从而得到温度与微观结构表征之间的关系。
1.LAMMPS简介
LAMMPS即Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator，可译为大规模原子分子并行模拟器，在与分子动力学相关的一些计算和模拟研究上运用广泛，总的来说，分子动力学所研究到的领域，LAMMPS代码也都涉及到了。
LAMMPS是由美国Sandia国家实验室开发出的一种开源软件，以GPLlicense发布，即开放源代码且可以免费下载使用，也就是说使用者可以根据自己研究内容的需求去修改源代码。LAMMPS可以支持包括气体，液体或者固体的各种系综，小到几个粒子，大到百万级的原子分子体系，并提供多种势函数。LAMMPS有良好的并行拓展性。
使用LAMMPS进行分子动力学模拟主要通过输入文件来驱动，一般情况下，输入文件由四个部分组成：一是对模拟对象进行初始化，对单位、边界条件和维度等参数设定；二是定义原子，建立模型进行计算；三是对势函数、时间步长、系综等参数进行设置，以及输出所需数据的设置；最后是计算。
2.液态金属的表征
2.1多面体指数法
其理论为中心原子与它近邻原子连线的垂直平分面所构成的最小体积的多面体。Finney[4]于1970年提出Voronoi多面体可用指数<n3,n4,n5,n6,...>来描述，ni代表i边形的数目，为配位数。<0,12,0,0>可代表Fcc晶体结构，即12个四边形，配位数为12；<0,6,0,8>可代表Bcc晶体结构，配位数为14；<0,0,12,0>可代表二十面体结构，配位数为12。
Voronoi多面体所描述的配位原子在双体分布函数的第一峰内分布，所以，Voronoi多面体所表述的是位于双体分布函数第一峰内原子分布的形状。
2.2配位数
配位数可以描述体系的结构信息，是研究液态金属结构过程中重要的参数，它所表示的物理含义是分布在第一壳层的平均原子数，本文的配位数直接从LAMMPS输出文件中统计得到。
3.模拟条件和方法
本文对液态Fe在NPT系综下进行了分子动力学模拟研究，对其微观结构进行研究分析。
本文模拟Fe金属使用嵌入原子法（EAM）势函数，采用三维周期性边界条件，在等温等压（NPT）系综下，对处于熔融状态下的128000个原子状态进行模拟。时间步长为0.001ps，三个方向(Px、Py、Pz)的压强均为0。
模拟计算温度从1900K到2300K，分别在这些温度下运行400000步，以确保体系处于平衡状态。每隔1000步输出系统的结构组态，所输出的文件内容为原子的空间坐标。然后用Ovito[5]进行可视化，最后用voronoi多面体指数法和配位数法对体系进行结构分析。进一步探讨温度对其微观结构的变化。
4.模拟结果
4.1温度对液态金属Fe多面体指数影响
图2多面体指数数量随温度变化图
由于金属的遗传效应以及势函数选取问题，T=1900K、T=2000K时多面体指数<0608>过多占主导地位，而其他多面体指数可忽略。故本文将T=1900K、T=2000K去掉后所绘制的新图表，如图2所示。在液态金属Fe中存在多面体结构有<00120>、<01102>、<0284>、<0365>、<0364>、<0446>、<0285>等，数量随温度升高呈下降趋势。通过计算，由T=2100K到T=2300K，代表稳定结构的二十面体和变形二十面体的<00120>、<0285>、<01102>结构呈现下降趋势，分别从745、1874、2744降至607、1501、2264，比原来下降了18.5%，15.0%，17.5%；故随着温度升高，体系中代表稳定的二十面体和变形二十面体结构减少，那么体系越来越不稳定。与热力学分析相一致，即随着温度的升高，体系能量越大，体系越不稳定。
4.2温度对液态金属Fe配位数影响
图3主要配位数随温度变化图
由4.1对液态金属Fe的多面体分析可知，体系在1900K和2000K时会保持固态Bcc状态，主要配位数为14，其数量随温度升高而减少。而当体系在2100K，2200K和2300K时，配位数数量随温度升高而减小，即分布在一个原子第一壳层的原子数减少，即游离在体系中的单个原子增加。CN=13，CN=14，CN=15分别从23807、36393、32173降至22961、34721、31643，比原来降低3.6%，4.6%，1.6%，如图3。这表明随温度升高，原子能量增加，体系更加不稳定，原子具有足够的能量摆脱周围原子的束缚而离开原来位置，所以配位数减少，游离原子增加。
5.分析与讨论
由于随着温度升高，原子能够克服周围原子束缚离开原来位置成为游离原子，即随温度升高游离原子增加，游离原子增加又会导致扩散的变化，故我猜想：随着温度升高，原子间距增大，扩散增大，液态金属表面张力减小。而这些物理量会影响金属的固态属性，所以掌握金属液态结构对金属冶炼具有理论指导意义。
6.结语
通过对液态金属Fe在T=1900K、T=2000K、T=2100K、T=2200K、T=2300K条件下配位数和多面体指数数据变化的分析，我们可以得到以下结论：
1）当体系处于1900K和2000K时，代表Bcc结构多面体指数<0608>所占比例远远大于其余多面体指数；当体系处于2100K，2200K和2300K时，随着温度升高，多面体指数数量减少，代表稳定的二十面体和变形二十面体结构减少，体系更不稳定。
2）当体系处于1900K和2000K时，主要配位数为14，其数量随温度升高而减少；当体系处于2100K，2200K，2300K时，主要配位数CN=13，CN=14，CN=15数量随温度升高减少，体系更不稳定。
参考文献
[1]张世良,戚力,高伟,等.分子模拟中常用的结构分析与表征方法综述[J].燕山大学学报,2015(3):213-220.
[2]张海涛,刘让苏,陈晓莹,等.液态金属Ga急冷凝固中微观结构转变的模拟研究[J].原子与分子物理学报,2005,22(3):000449-455.
[3]刘让苏,覃树萍,侯兆阳,等.液态金属In凝固过程中微观结构转变的模拟研究[J].物理学报,2004,53(9):3119-3124.
[4]FinneyJL.Randompackingsandstructureofsimpleliquids.I.Geometryofrandomclosepacking[C]//TheRoyalSociety,1970:479-493.
[5]StukowskiA.VisualizationandanalysisofatomisticsimulationdatawithOVITO-theOpenVisualizationTool[J].ModellingSimul.mater.sci.eng,2010,18(6):2154-2162.