分子动力学实验报告md3.docx

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分子动力学实验报告md3

分子动力学实验报告

（2014至2015学年第_2_学期）

班级：

姓名：

学号：

实验名称：

晶格位错和层错成绩：

一、实验目的

（1）观测位错的位移场、应力场、应变场分布

（2）计算静止位错的能量（与位错理论的计算结果比较）

（3）澄清位错分解与层错能的关系

二、实验原理

1螺位错

螺型位错；螺旋位错；screwdislocation;Burgersdislocation又称螺旋位错。

一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。

在中央轴线处即为一螺型位错。

假设在各向同性的介质中，UZ随着θ角均匀的增大，可以得到位移UZ与θ和r的关系如下

此即为螺位错的位移场公式。

也是在本次实验中，我们用来构造螺位错的依据。

首先，我们搭建一个完整晶体，以中心处为位错的核心，然后根据位移场公式相继移动体系内的每个原子，使其符合螺位错的位移场分布。

经过能量最小化后，我们可以得到一个稳定的含有螺位错的构型。

由于圆柱体只有沿z方向的位移，因此只有切应变。

相应的，各应力分量为

2．刃型位错

滑移区与未滑移区之间的边界就称为位错。

这个位错的位置由挤入上半部分晶体的额外垂直半原子面的边缘标志。

在位错附近，晶体的形变可以看作是由于在晶体上半部分插入了一片额外的原子面所产生。

这个原子面的插入使上半部分晶体中的原子受到挤压，而使下半部分晶体中的原子受到拉伸。

按照弹性力学理论可以得到，刃型位错的位移场诸分量为：

相应的，各应力分量为：

3．位错的应变能

位错的能量可以分为两部分：

位错中心畸变能Ec和位错应力场引起的弹性应变能Ee。

位错中心区域由于点阵畸变很大，不能用胡克定律，而需借助于点阵模型直接考虑晶体结构和原子间的相互作用。

据估算，这部分能量大约为总应变能的1/10～1/15左右，故常予以忽略，而以中心区域以外的弹性应变能代表位错的应变能，此项能量可以采取连续介质弹性模型根据单位长度位错所作的功求得。

对于刃型位错，

同理，对于螺型位错有

4.层错

堆垛层错（stackingfault）是广义的层状结构晶格中常见的一种面缺陷。

它是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布。

例如在立方紧密堆积（CCP）结构中，其固有的正常堆垛顺序为三层重复的……ABCABCABC……，如果局部出现诸如……ABCA\CABC……或者……ABCAB\A\CABC……，则在划线处便是堆垛层错的所在。

它们在形式上也可看成是由一个完整的晶格沿层错面、其两侧晶格间发生非重复周期平移所导致的结果。

三、实验过程

（1）进入md文件，之后进入md_dislocation文件夹，运行run.sh文件，之后查看results文件，记下相应的数据。

$cd口md

$cd口md_dislocation

$./run.sh

$cat口results

（2）进入相应的文件查看位错形的图像，用不同的应力分别进行染色，观察效果图。

键入k值，观察位错，双击位错原子图像，分别得到两个位错的坐标值，记下坐标值算出两个位错间的距离。

（3）进入层错的文件，运行./run.sh文件，查看results，分别记下低层错能下的完美晶体和发生层错后的能量和高层错能下完美晶体和发生层错后的能量。

（4）分别进入低层错能和高层错能的问价夹，查看相应的图像，染色并做调整，得到层错的效果图。

四、实验结果

1.位错实验

（1）位错的能量

在高层错能时刃位错的图像在低层错能时的刃位错图像

在高层错能时螺位错的图像在低层错能时螺位错的图像

故得到的数据为：

类型

EdgelowSF

EdgehighSF

ScrewlowSF

ScrewhighSF

完美能量（eV）

-78115.675218

-78404.902344

-45668.378858

-45841.646437

缺陷能量（eV）

-78109.671405

-78398.770327

-45666.47000

-45839.663985

位错实验能量（J/m）

2.1554×10-9

2.2014×10-9

1.1988×10-9

1.2602×10-9

位错理论能量（J/m）

2.2887×10-9J/m

1.5334

位错间距（A）

30.156

12.151

12.404

6.756

层错能，各向同性，γ=0（mJ/m2）

31.5029

78.1829

76.5882

140.6157

层错能,各向同性，γ=0.33（mJ/m2）

56.2293

139.5482

59.2551

108.7922

（2）观察位错的应力场

A.低层错能下刃位错的应力场

切应力染色黑线表示半原子平面

σxx染色效果σyy染色效果

σzz染色效果σxy染色效果

σxz染色效果σyz染色效果

B.低层错能下螺位错的应力场

切应力染色效果黑线表示螺位错的部分

σxx染色效果σyy染色效果

σzz染色效果σxy染色效果

σxz染色效果σyz染色效果

C.高层错能下刃位错应力场

切应力染色效果黑线表示半原子平面

σxx染色效果σyy染色效果

σzz染色效果σxy染色效果

σxz染色效果σyz染色效果

D.高层错能下螺位错应力场

切应力染色效果黑线表示螺位错部分

σxx染色效果σyy染色效果

σzz染色效果σxy染色效果

σxz染色效果σyz染色效果

2.层错实验

得到的层错的数据为

计算实验得到层错能

低层错能:

24.7936mJ·m-2

高层错能：

186.3511mJ·m-2

得到的能量数据为

类型

EdgelowSF

EdgehighSF

ScrewlowSF

ScrewhighSF

完美能量（eV）

-78115.675218

-78404.902344

-45668.378858

-45841.646437

缺陷能量（eV）

-78109.671405

-78398.770327

-45666.47000

-45839.663985

位错实验能量（J/m）

2.1554×10-9

2.2014×10-9

1.1988×10-9

1.2602×10-9

位错理论能量（J/m）

2.2887×10-9

1.5334×10-9

位错间距（A）

30.156

12.151

12.404

6.756

层错能，各向同性，γ=0（mJ/m2）

31.5029

78.1829

76.5882

140.6157

层错能,各向同性，γ=0.33（mJ/m2）

56.2293

139.5482

59.2551

108.7922

得到的层错的图像

低层错能图像

高层错能图像

五、结果分析

1.通过观察图像可以知道刃位错和螺位错的图像，可以直观的看到刃位错和螺位错的结构是不一样的，刃位错明显多出一排半原子平面出来，而螺位错没有。

而且刃位错的柏氏矢量是垂直于位错线的，螺位错的柏氏矢量则是平行于位错线的。

通过观察应力场的分布也可以发现刃位错和螺位错的应力分布不相同。

2.通过实验算出的柏氏矢量的单位能量要比实验值要高。

产生这种情况的原因可能是因为在位错分解的过程中释放了一定的能量，而计算的能量是未分解前的位错的能量，故计算出的能量要大于实际的能量。

再者则可能是因为模拟的原子的总数不够多，模拟的原子数量级远小于实际位错的原子的数量级，故实际上会有更多的原子和位错作用。

这也是导致误差的原因。

3.通过实验所得到的层错能和通过位错理论所计算出的层错能相差较大，应该不是由于实验误差所产生的。

推测是由于A值得计算公式错误所导致的原因。

此公式是基于各向同性的假设而推出的，而实际的铜晶体是各向异性的，故这个公式不适用此类情况。

六、实验结论

1.刃位错和螺位错在结构，柏氏矢量和应力分布场方面都是不同的。

2.实验所做的单位位错的能量与计算值不同。

可能因为实验中的位错分解释放能量所导致。

3.实验所做出的曾错能与通过位错算出的位错能不一样。

可能是因为A值得计算公式不正确所导致的。