摘 要

在当今社会对能源的需求量越来越大的形势下，开发利用新材料刻不容缓。镁合金作为一种极具应用价值的轻金属材料，拥有众多优异的性能，并且已经在很多领域得到了广泛的应用。所以我们对镁合金的一些典型的热物理性能进行研究是很有必要的。

研究思路有两种，一是通过实验方法测得，二是通过分子动力学方法模拟计算获得。鉴于如今计算机技术飞速发展，并考虑到实验过程有很多不可控因素会导致较大的误差，于是本次研究决定采取分子动力学方法。

本文通过设置相应的参数，编写对应的Lammps代码，经软件处理后得到Mg的熔点，并通过分析径向分布函数和方均根位移进一步验证结果的准确性,同时也得到了Mg在(100）晶面和（111）晶面的表面能、Mg在3个不同温度下的热导率。得出结论：表面原子排列越紧凑则表面能越小、热导率随着温度的升高而减小。

关键词：分子动力学、熔点、表面能、热导率

Abstract

Take it into account that the demand for energy is increasing in today's society, it is urgent to develop and utilize new materials. As valuable light metallic material, magnesium alloy has many outstanding properties, and has been widely used in many fields. Therefore, it is necessary for us to study some typical thermophysical properties of magnesium alloys.

There are two ways to study it, one is experimental method, and the other is molecular dynamics simulation. In view of the rapid development of computer technology, and considering that many uncontrollable factors in the experimental process will lead to larger errors, this study decides to adopt molecular dynamics method.

By setting corresponding parameters, writing corresponding Lammps code , the melting point of Mg is obtained after the software processing, and the accuracy of the result is verified by analyzing the radial distribution function and the mean square displacement. We computed the surface energy of the (100) crystal surface and (111) crystal surface, and the conclusion is that the closer the surface atom arrangement is, the smaller the surface energy is; We also computed the thermal conductivity of Mg at 3 different temperatures. The conclusion is that the higher the temperature is, the smaller the thermal conductivity is.

Keywords：Molecular dynamics、melting point、surface energy、thermal conductivity

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景及国内外研究现状 2

1.3 研究目的及构思 3

第2章 分子动力学方法简介 5

2.1 热力学系统的分类 5

2.1.1 等温等压系统 5

2.1.2 宏观正则系统 5

2.2 分子动力学模拟方法 5

2.2.1 定义及原理 5

2.2.2 模拟计算步骤 6

2.2.3 元胞的选择与初始条件的确定 6

2.2.4 周期性边界条件的确定 6

2.2.5 势函数和时间步长 6

2.3 Lammps软件介绍 6

2.4 微观结构的表征方法 7

2.4.1 均方根位移（MSD） 7

2.4.2 径向分布函数（RDF） 7

第3章 镁合金熔点的模拟计算 8

3.1 液态金属形核的基本理论 8

3.2 Mg熔点的计算 9

3.2.1 熔化转变 9

3.2.2 凝固转变 10

3.3 均方根位移（MSD）分析 12

3.4 径向分布函数（RDF）分析 13

第4章 镁合金表面能的模拟计算 15

4.1 金属表面能的基本理论 15

4.2 表面能计算原理 15

4.3 模拟过程与结果 16

第5章 镁合金热导率的模拟计算 17

5.1 热传导与热导率的基本理论 17

5.2 非平衡态分子动力学(NEMD)计算原理 17

5.3 NEMD模拟计算热导率过程 17

5.3.1 Mg在300K时的热导率计算 17

5.3.2 Mg在600K时的热导率计算 18

5.3.3 Mg在900K时的热导率计算 19

第6章 总结 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 引言

镁是一种银白色的金属，是地壳中储量最多的轻金属元素之一，是储量第八多的元素。密度小，质量轻。其密度为1.74 g/cm3，是铝的2/3，是钢的1/4。镁还能与铝、锌等其他金属元素构成很有工业价值的实用合金，具有很高的比强度与比刚度，很好的的导热性与导电性，无磁性，抗冲击、阻尼性能好，消震性好,抗蠕变性能好，还具备良好的尺寸稳定性与能量吸收特性，以及优良的铸造性能和机械加工性能。是制造抗振零件的良好材料。由于这些特性，使得镁合金广泛应用于航天航空材料、交通运输工业、国防、军事、光学仪器、汽车工业、医药化工、金属铸造和家用电器等领域。

随着科技水平的不断进步和人们对物质的需求日益增长，建筑等行业迫切需要引进各种新技术、开发一些新材料。在金属材料方面，镁合金材料获得了普遍的应用，其需求量同时也在快速增长。在环境污染和资源紧缺的严峻形势下，镁合金作为一种拥有众多优异性能的金属材料，正受到越来越多人的关注。

作为镁资源最为丰富的国家之一，我国也是世界上镁的生产出口大国。可是以前因为缺少先进的制备及加工技术，对它的应用研究不够，我国镁产量的80%是作为原材料以低价出口的。此外，镁及镁合金属于密排六方结构，晶体在各个方向上的物理化学特性存在很大差异，成型性能差，并且镁合金在实际的熔炼过程中，一旦与氧气接触就会发生剧烈燃烧，这些因素在极大程度上限制了镁合金的应用和发展。然而从2006年开始，镁工业的发展呈现出多元化的态势，中国已经从一个大型镁合金原材料生产国转变为镁合金生产强国。虽然还处于起步阶段，但随着镁合金加工处理工艺的进一步改善与日趋成熟，我相信，在不远的将来，这种环保、轻便的金属将真正走进大众的生活。与此同时，从现在的发展趋势来看，镁合金有很大的可能性成为未来金属材料发展的首选。