Vol. 58, No. 13 (2009)
2009年07月05日
总论
2009, 58 (13): 1-S7.
doi: 10.7498/aps.58.1
摘要 +
通过建立统计的二阶双尺度计算方法，预测了非一致随机分布复合材料结构的力学参数，包括刚度参数和弹性极限强度参数.所谓非一致随机分布复合材料结构，是指在整个结构中夹杂随机分布，但分布特征并不是处处相同，而是逐渐变化的，从而导致材料在宏观上具有随着位置连续变化的力学性能.描述了一致和非一致随机分布复合材料结构的特征及其细观表征方法，并建立了统计的二阶双尺度计算公式，讨论了材料的弹性极限强度准则.最后，针对不同的非一致随机分布复合材料，预测了材料的力学参数并与实验数据进行了对比.结果表明，统计的二阶双尺度方法对于预测非一致随机分布复合材料的力学参数是有效的.
2009, 58 (13): 8-S14.
doi: 10.7498/aps.58.8
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根据不同工艺参数（层厚、扫描间距、激光功率、扫描速度、加工环境温度、层与层之间的加工时间间隔和扫描方式）下的选择性激光烧结成型件密度的实测数据集,应用基于粒子群算法寻优的支持向量回归（SVR）方法,建立了加工工艺参数与成型件密度间的预测模型,并与BP神经网络模型进行了比较.结果表明：基于相同的训练样本和检验样本,成型件密度的SVR模型比其BP神经网络模型具有更强的内部拟合能力和更高的预测精度；增加训练样本数有助于提高SVR预测模型的泛化能力；基于留一交叉验证法的SVR模型的预测误差最小.因此,SVR是一种预测选择性激光烧结成型件密度的有效方法.
2009, 58 (13): 15-S20.
doi: 10.7498/aps.58.15
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根据在不同热压烧结工艺参数（包括TiN的含量、烧结温度和保温时间）下合成的AlON-TiN复相材料的抗弯强度实测数据集,应用基于粒子群算法寻优的支持向量回归（SVR）方法,建立了AlON-TiN复相材料在不同热压烧结工艺参数下抗弯强度的SVR预测模型,并与基于人工神经网络（ANN）模型的预测结果进行了比较.利用SVR预测模型并结合粒子群算法对AlON-TiN合成工艺参数进行了寻优和多因素分析.结果显示:对于相同的训练样本和检验样本,AlON-TiN复相材料抗弯强度的SVR模型比ANN模型具有更小的预测误差,表明SVR模型比ANN模型具有更强的预测能力.工艺参数寻优结果表明,当TiN质量分数为13.5%、烧结温度为1863.5 ℃和保温时间为5.8 h时, 可获得抗弯强度为555.452 MPa的AlON-TiN复相材料. 研究结果表明，该方法对于研发理想抗弯强度的AlON-TiN复相材料具有重要的理论指导意义和实用价值.
2009, 58 (13): 21-S28.
doi: 10.7498/aps.58.21
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研究了粉末材料堆积过程仿真的物理模型和系统，并探讨了适合多种不同粒径颗粒混合堆积过程仿真的高性能计算方法.在该仿真系统中，考虑了重力、接触力、阻尼力、摩擦力和范德瓦耳斯力等多种作用力的影响，集成了多种接触力模型和阻尼模型，使其适用于三维大规模粉末材料堆积过程的计算机仿真.利用该系统对粉末材料领域中的两个典型应用进行了模拟研究.模拟了两种相同密度不同粒径颗粒（粒径比为10）的混合堆积过程.当小颗粒数为大颗粒数的300倍时，得到最大的堆积密度（体积分数）为0.82.另外，还模拟了两种不同密度相同粒径颗粒的混合堆积过程.当堆积结束时，出现了明显的分离（segregation）现象和团聚现象.所研究的物理模型和仿真系统既可用于粉末材料堆积过程研究，亦可用于普通的球形物体堆积过程的模拟研究.
2009, 58 (13): 29-S34.
doi: 10.7498/aps.58.29
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将在热加工及热处理过程中发生相变的材料考虑为热弹塑性的多相混合物，基于连续介质物理学及含内变量的不可逆热力学，推导出考虑相变的热弹塑性本构方程.根据一组不同温度水平下的高温短时拉力试验，确定本构方程中的材料参数及其随温度的变化关系.同时，提出了考虑相变的热传导方程和计及应力影响的相变动力学方程.基于这些方程编制相应有限元分析程序，用其分析计算了1Cr12WMoV不锈钢管通的焊接残余应力分布.计算所得结果与通过X射线衍射测试的实验结果具有较好的一致性.
原子和分子物理学
2009, 58 (13): 35-S39.
doi: 10.7498/aps.58.35
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电子壳模型势函数在离子晶体的原子级计算机模拟中有广泛应用，其势参数主要通过拟合晶体的实验数据或电子结构数据得到.提出了通过拟合双原子分子的量子化学从头计算电子结构数据来获得该势函数的方法，并由H2分子的电子结构数据建立了H原子间的电子壳模型势函数.此外，还应用该势函数对H+2分子离子进行了计算.该势函数拟合方案更适合于共价键型的分子.
2009, 58 (13): 40-S46.
doi: 10.7498/aps.58.40
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应用基于嵌入原子势函数的分子动力学方法，模拟了嵌入在具有面心立方结构同质块体中的熔融Cu55团簇在不同急冷温度下微观结构的演变情况.通过计算熔融Cu55团簇的均方位移和原子平均能量随时间步的变化，并应用键对分析技术，分析了急冷温度对熔融Cu55团簇结构变化的影响.研究结果表明，由于受到块体结构的影响，在所研究的急冷温度范围内，熔融Cu55团簇在凝固过程中形成了以面心立方结构为主的微观结构.结晶过程是原子不断交换其位置的过程，团簇原子位置的重排敏感于温度的变化.随着急冷温度的升高，原子的扩散范围增大.在100，300和500 K三个较低的温度下有利于形成稳定的面心立方结构，但当急冷到100 K时，团簇中的原子在没有找到其最佳位置之前就已经完成晶化.在急冷到500 K时，团簇中的原子在块体中扩散充分，与块体中的原子形成理想的面心立方结构.在700，900和1100 K三个较高的温度上，局域结构表现为随时间步波动性变化.
2009, 58 (13): 47-S52.
doi: 10.7498/aps.58.47
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应用分子动力学方法研究温度为10和50 K时具有二十面体结构的Cu13团簇以不同接触条件与Cu（001）表面结合后的结构变化，原子间的相互作用势采用Johnson的嵌入原子方法模型.通过基于原子密度分布函数的分析表明，负载团簇与表面的结合能主要受团簇与载体相接触的最低层原子数及这些原子所具有的不同几何构型影响，同时更高层的原子呈现出不同的几何结构.温度为10 K时，负载团簇的初始位置对团簇几何结构和结合能影响较大.
2009, 58 (13): 53-S57.
doi: 10.7498/aps.58.53
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采用基于Chen-Mbius反演方法，从金属/金属氧化物界面第一性原理计算的粘结能结果中推导出的Au/MgO原子间相互作用势的正则系综（NVT）分子动力学，模拟了在10 K条件下，Au959团簇负载于MgO（100）表面后团簇结构的变化.根据原子对分析技术和对分布函数的分析表明，由于团簇界面处原子间距与载体原子间距相匹配，置于载体上的Au团簇经过一个变形过程后，较其孤立自由表面时的团簇体积变大.
2009, 58 (13): 58-S66.
doi: 10.7498/aps.58.58
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研究CuN（N=57，58，59）熔融铜团簇在冷却过程以及300 K时两个具有二十面体结构Cu55团簇在并合过程中的结构变化.对这些小尺寸团簇的结构变化采用基于嵌入原子方法的正则系综分子动力学进行计算机模拟.通过对模拟结果的分析表明，小团簇的冷却和并合过程存在阶段变化的特点.降温过程中CuN（N=57，58，59）团簇的原子运动及其微观结构变化表现出较大差异，由此导致这三类团簇内原子排布的不同，其中Cu59团簇结构的有序程度最低.在两个Cu55团簇并合早期阶段，这两个团簇相接触后发生变形导致原子位置出现较大改变，在随后的并合过程中，原子扩散引起原子局部位置调整导致所并合体系的结构发生变化.远离两个团簇接触区的原子仍保持其并合前的结构.
2009, 58 (13): 67-S71.
doi: 10.7498/aps.58.67
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采用基于嵌入原子方法的分子动力学，模拟了熔融Cu55团簇在Cu衬底（010）表面上以两个不同降温速率降温过程中结构的变化.模拟结果表明，降温速率对团簇结构的变化有很大影响.较快的降温速率使得降温过程中团簇原子具有较低的能量；较慢的降温速率有助于高温时位于衬底内的原子向衬底表面扩散，排列形成面心立方结构.
2009, 58 (13): 72-S78.
doi: 10.7498/aps.58.72
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算了中性和带电小钨团簇Wn（n＝3—6）的构型，得到了一些能量较低的结构，它们都有可能是团簇的基态.研究发现，这些团簇大多具有较低的自旋多重度：中性小钨团簇为自旋单态或三重态；带电小钨团簇为自旋双重态或四重态.当n>3时，小钨团簇具有三维立体结构.通过拟合光电子谱、计算垂直离化能并与实验值比较，进一步讨论了带负电小钨团簇的基态结构.
唯象论的经典领域
2009, 58 (13): 79-S83.
doi: 10.7498/aps.58.79
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铸造镁合金不可避免地包含许多微孔洞，这些微孔洞在材料的后续加工及服役过程中将发生演化，并对材料的力学行为产生重要影响.基于球形孔洞体胞模型，提出微孔洞长大及形核方程，它们构成微孔洞的演化方程.根据孔洞演化将造成材料性质弱化的物理机制，将微孔洞演化以弱化函数的形式引入到非经典弹塑性本构方程，得到考虑孔洞演化的铸造镁合金弹塑性本构方程.发展与本构方程相应的有限元数值分析程序，用其模拟了铸造镁合金ML308的微孔洞演化及力学行为，计算结果与实验结果符合较好.
2009, 58 (13): 84-S88.
doi: 10.7498/aps.58.84
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以梅山钢铁股份有限公司热轧机组的粗轧板坯边部出现“黑线”为背景，对孔型立辊的5道次可逆立-平轧制过程进行了数值模拟.模拟结果表明：孔型立辊轧制能更有效地纠正双鼓变形，避免产生边部夹层；轧件的边角部金属在轧制过程中逐渐流动到轧件的上下表面；在相同轧制工艺条件下，随着孔型内倒角半径的增加翻平量逐渐增大；轧制过程中，低温、高应力应变状态的金属在轧件边部的累积最终可能导致轧件边部沿长度方向产生“黑线”缺陷；合理地设计立辊的形状和优化立轧压下制度可以避免边部夹层的产生，并减少“黑线”缺陷甚至消除该缺陷.
流体、等离子体和放电
2009, 58 (13): 89-S93.
doi: 10.7498/aps.58.89
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采用真空离子镀的方式在AISI D2钢基体上制备渗N，TiN及复合涂层，并采用模拟和实验的方法研究涂层的磨损性能.将Archard经典粘着磨损模型离散化后用Fortran子程序的形式嵌入到商业化的有限元软件中，以求解接触摩擦过程中接触区每个节点或单元的磨损深度，定量分析了基体及三种涂层的磨损深度.研究结果表明，复合涂层具有最优耐磨性能.实验结果与模拟结果相符合.
2009, 58 (13): 94-S103.
doi: 10.7498/aps.58.94
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通过电弧模型与熔池模型耦合数值模拟，研究了氩弧和氦弧特性及其对SUS304不锈钢钨极惰性气体保护（TIG）焊熔池形貌的影响.通过比较氩弧和氦弧的温度轮廓线以及阳极表面电流密度和热流密度分布发现，氦弧的径向距离比氩弧收缩明显，导致更多热量传递给阳极.模拟了氩弧和氦弧下浮力、电磁力、表面张力和气体剪切力分别对熔池形貌的影响.结果表明：不论是在氩弧还是在氦弧下熔池中表面张力是影响熔池形貌的最主要驱动力.在氩弧下，影响熔池形貌的另一个重要的驱动力是气体剪切力，而氦弧下则是电磁力.由于电磁力引起的内对流运动增加了熔深，从而导致相同氧含量时氦弧下的熔深和焊缝深宽比要高于氩弧下的熔深和焊缝深宽比.随着氧含量的增加，氩弧和氦弧下的焊缝深宽比均先增加而后保持不变.焊缝深宽比的模拟结果与实验结果符合较好.
凝聚物质：结构、热学和力学性质
2009, 58 (13): 104-S111.
doi: 10.7498/aps.58.104
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以欧拉方法和体积元平均技术为基础，建立考虑固相移动的大尺寸钢锭宏观偏析数学模型.研究了纯自然对流和包含固相移动两种情况下宏观偏析形成的模式，分析了临界固相分数和固相密度变化对宏观偏析形成的影响.计算结果表明：无论是否考虑固相移动，A型偏析形成机理是侧壁形成的固相与底部形成的固相之间形成狭窄的补缩通道，此通道内溶质富集且流动不顺畅，最后形成了高成分区域.增大临界固相分数会导致A型偏析带和底部负偏析的加剧.固相密度的增加会引起底部负偏析和顶部正偏析的偏析程度增大，但A型偏析带的长度不随固相密度的增加而增长.将模拟结果和实验结果进行对照，验证了模型的准确性.
2009, 58 (13): 112-S117.
doi: 10.7498/aps.58.112
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建立了卧式离心铸造情况下液体充型及凝固过程的数学模型.基于该模型对卧式离心铸造轧辊离心阶段的温度场、流场进行了数值模拟.采用水力学模拟试验与数值模拟进行对比，结果表明数学模型准确可靠.通过对卧式离心铸造充型过程中金属液运动规律的分析，发现卧式离心情况下金属液按螺旋形轨迹充填型腔.随着转速的增加，金属液更易于均匀铺满型腔.这对采用卧式离心铸造轧辊的实际生产具有一定的指导作用.
2009, 58 (13): 118-S123.
doi: 10.7498/aps.58.118
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针对一维六方准晶中一种新平面弹性问题, 即非周期平面内的平面弹性问题， 通过引入应力势函数, 建立了一维六方准晶中非周期平面内的平面应变理论. 作为应用, 求解了一维六方准晶中垂直于准周期方向的椭圆孔口问题, 得到了其弹性应力场的解析解. 在极限情形下, 可给出裂纹问题的解.
2009, 58 (13): 124-S131.
doi: 10.7498/aps.58.124
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基于采用晶体有序化程度参量ψ和晶体学取向θ来表示多晶粒结构的相场模型，利用自适应有限元方法模拟了多晶材料等温过程中的晶粒粗化现象.模拟结果显示，在曲率作用下，通过晶界迁移弯曲晶界逐渐平直化，小晶粒逐渐被大晶粒吞并，当晶界之间的取向差较小时，满足一定能量和几何条件的两晶粒在界面能作用下会发生转动，合并为单个晶粒.模拟结果与实验结果符合较好.因此，该相场模型可以很好地用来模拟固态相变中多晶材料的生长粗化等现象.
2009, 58 (13): 132-S136.
doi: 10.7498/aps.58.132
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采用Potts模型Monte Carlo方法研究了晶粒棱长、尺寸与拓扑学特征之间的统计关系.结果表明，晶粒棱长与晶粒面数之间呈线性统计关系，并且平均N面体晶粒模型和Poisson-Voronoi组织均支持该结论.不同时刻的晶粒长大仿真数据表明，在准稳态晶粒长大阶段晶粒棱长的分布具有自相似性.个体晶粒的平均棱长随晶粒面数（或晶粒尺寸）的增加而逐渐增大，这说明一些理论模型中采用的“不同面数的晶粒平均棱长均相等”的假设具有局限性.仿真数据和纯铁实验数据均表明，晶粒尺寸与晶粒面数之间的统计关系表现为一条单调递增的凸曲线.
2009, 58 (13): 137-S140.
doi: 10.7498/aps.58.137
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2007年MacPherson和Srolovitz联合推导出一个三维个体晶粒长大的准确速率方程，但并未给出实验或计算机仿真的验证.采用Potts模型Monte Carlo方法对该速率方程进行了大尺度仿真验证.结果表明，仿真数据与MacPherson-Srolovitz速率方程符合很好，从而初步证实了该速率方程，即三维晶粒长大速率是晶粒棱长和晶粒平均宽度的函数.
2009, 58 (13): 141-S145.
doi: 10.7498/aps.58.141
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利用Chen-Mbius晶格反演获得的原子间相互作用势，对NaZn13型Fe基金属间化合物进行原子级模拟研究.计算结果表明，Si原子和Co原子均优先占据96i晶位，Si原子和Co原子替代Fe原子后晶体平均结合能降低.随着Co含量的增加，LaFe13-x-yCoySix和NdFe13-x-yCoySix的晶格参数逐渐降低.声子态密度中，稀土原子主要激发低频模，Si原子主要激发高频模.LaFe11.5-yCoySi1.5化合物的德拜温度随Co含量的增加而增高.
2009, 58 (13): 146-S150.
doi: 10.7498/aps.58.146
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RFe2Zn20（R代表稀土元素）型稀土金属间化合物因其低稀土含量和良好的铁磁性，已成为铁磁材料的研究热点之一.添加第四组元对该系列化合物的晶体结构和材料性能会产生一定影响.利用晶格反演方法获得了一系列有效的原子间相互作用势，对三元RFe2Zn20和四元RFe2Zn20-xInx化合物进行原子级模拟计算.研究表明，随着稀土元素原子量的增加，三元体系的晶格参数和体积呈线性下降，第四组元引入与否对该线性关系无直接影响.第四组元In替代Zn时，择优占据16c晶位，占满16c后选择占据96g晶位，始终不占据48f晶位.择优占位的结论符合实验观测，并与晶格反演势分析的结果一致.
2009, 58 (13): 151-S155.
doi: 10.7498/aps.58.151
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基于物理冶金原理建立了微合金钢在热轧过程中流变应力、回复、再结晶和析出模型，模拟了含Nb微合金钢Nb（C,N）析出动力学，并利用Thermo-Calc软件计算了不同条件下析出粒子形核驱动力和元素平衡含量值，同时考虑了回复和再结晶对析出的影响.计算结果表明，该模型对含Nb微合金钢在不同热轧形变条件下模拟结果与实验结果符合较好，因此可以有效预测在不同热轧形变条件下析出粒子体积分数和析出粒子尺寸.
2009, 58 (13): 156-S160.
doi: 10.7498/aps.58.156
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运用分子动力学方法，研究了镍基单晶高温合金γ/γ′相界面错配位错网络的特征.通过对界面位错的形成、位错的反应、位错网络的演化等现象的分析发现，在温度场影响下，位错网络将由弛豫初期的十四面体演化成最终的正六面体.
2009, 58 (13): 161-S168.
doi: 10.7498/aps.58.161
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在讨论相场法模拟基本方程的基础上，提出了晶界范围宽度的新概念，解释了相场模拟模型中有序化参数梯度范围的物理意义，论证了晶界范围不是晶界原子错排的宽度，而是界面能和界面元素偏析存在范围的观点.建立了一个模拟合金再结晶的相场模型，提出了一系列法则来获得模型中各参数的物理真实值，以AZ31镁合金为例，实现了再结晶过程晶粒长大的真实时间和空间的模拟，通过与试验数据的对比证明了模型的有效性.此外，还列举了相场法模拟Ti-25Al-10Nb合金中O相在外力场作用下析出过程的一系列有趣的新结果，讨论了外力场对第二相析出的重要影响和机理以及模拟结果对合金开发潜在的重要指导意义.
2009, 58 (13): 169-S176.
doi: 10.7498/aps.58.169
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采用蒙特卡罗（MC）方法模拟了Fe-C合金在奥氏体-铁素体相变的平衡温度之上的形变诱导动态相变过程.通过建立合适的MC规则，在一个MC模型中同时实现了奥氏体-铁素体相变、铁素体-奥氏体逆相变以及奥氏体动态再结晶过程的模拟.同时，一个基于矢量变换的拓扑模型被嵌入此MC相变模型，用来跟踪由于塑性变形导致的晶粒形貌变化.在此基础上模拟分析了动态相变过程中铁素体的形成特点，讨论了由于相变、逆相变和动态再结晶交互作用所带来的影响.
2009, 58 (13): 177-S182.
doi: 10.7498/aps.58.177
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在密度泛函理论计算的基础上，利用微动弹性带（nudged elastic band）方法研究了氧原子在Zr（0001）表面附近的扩散.首先计算了氧原子从稳定的表面面心立方（SFCC）位置向表面六角密排位置的扩散激活能（0.77 eV）；然后计算了氧原子从稳定的SFCC位置扩散到表面下第1层与第2层之间的八面体间隙位置，再继续向表面下第2层与第3层之间的八面体间隙位置扩散的激活能，在此过程中氧原子需克服两个能垒，其激活能分别为2.14和2.57 eV.结果表明，氧原子在Zr（0001）表面上方的扩散比较容易，而氧原子向Zr（0001）表面下的扩散相对较难.
2009, 58 (13): 183-S188.
doi: 10.7498/aps.58.183
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阐述了高温塑性变形引起的非平衡晶界偏聚的准热力学和动力学，并使用该模型预测了低合金结构钢中高温塑性变形导致的P在奥氏体晶界的非平衡偏聚.研究发现：当变形为20%，应变速率为1×10-3 s-1时，在800 ℃左右会出现一个P的晶界偏聚浓度峰值；在1000 ℃变形为20％时，晶界偏聚浓度随着应变速率的增加而增加.预测结果与现有的实验结果基本一致.
2009, 58 (13): 189-S192.
doi: 10.7498/aps.58.189
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基于弹性和多胞/泡沫固体理论，用近似解析和数值方法研究了带玻璃衬垫的硅多胞/泡沫薄膜压痕问题.研究的重点在于考察接触区的压力分布和压痕临界深度εc，并将计算得到的理论结果与实验结果进行了对比，两者基本一致.为了对这类薄膜结构系统完整性作合理的评估，分析了多胞/泡沫材料变形和破损机理，由此提出了压痕能概念并给出了相应的解析表达式.
2009, 58 (13): 193-S198.
doi: 10.7498/aps.58.193
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利用密度泛函理论研究了0.25单层（ML），0.5ML，0.75ML和1ML吸附率下H2O在SrTiO3-（001）TiO2表面上的吸附行为.比较了不同吸附率下分子吸附和解离吸附的稳定性，利用微动弹性带（nudged elastic band）方法计算了H2O的解离势垒.结果表明：在低吸附率（0.25ML和0.5ML）时，H2O表现为解离吸附；在0.75ML吸附率下，分子吸附和解离吸附同时存在；而在全吸附（吸附率为1ML）时，分子吸附更稳定.基于对H2O分子与表面之间以及H2O分子之间的电荷转移和相互作用的分析，讨论了吸附率对H2O吸附和解离的影响.
2009, 58 (13): 199-S203.
doi: 10.7498/aps.58.199
摘要 +
采用分子动力学方法模拟了MgO分子连续沉积于MgO（001）表面上的薄膜生长过程，分析了衬底温度和分子入射能对MgO分子在衬底表面上的扩散能力以及对衬底表面覆盖率的影响.模拟结果表明，随着衬底温度的升高，在衬底表面上沉积的MgO分子扩散能力增强，MgO薄膜层中空位缺陷变少.低温下，分子入射能的增大有助于提高衬底表面覆盖率；高温下，表面覆盖率随入射能增大到3.0 eV时达到最大值，入射能继续增大，表面覆盖率减小.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2009, 58 (13): 204-S209.
doi: 10.7498/aps.58.204
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使用B3LYP/6-31G（d）方法对有机太阳电池中作为电子受体材料的富勒烯衍生物苯基C71-丁酸甲酯（［70］PCBM）的同分异构体进行了计算.PCBM与C70通过六元环和六元环共用的CC双键加成得到的产物是热力学控制产物；通过五元环和六元环共用的C—C键加成得到的产物则是动力学控制产物.［70］PCBM与C70的第一绝热电子亲和势很接近.PCBM对前线轨道贡献很小，［70］PCBM的最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道（LUMO）的电子云主要分布在C70笼上.PCBM提升了C70的LUMO能级水平，有利于提高太阳电池的光电转换效率.自然布居分析表明，PCBM与C70之间没有发生显著的电荷转移.所有的性质研究表明，PCBM基团并不涉及电池光电转换过程，但在调整C70能级水平提高光电转换效率中发挥了重要作用.
2009, 58 (13): 210-S215.
doi: 10.7498/aps.58.210
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了Si原子在TiAl3中的格点取代行为.通过对不同原子被置换后的c/a值、形成能以及电子态密度的计算和比较，发现Si原子倾向于取代TiAl3中的Al原子，其取代行为主要由系统的电子结构决定，计算结果与实验相符.为了进一步研究Si原子的取代行为，对Si原子占据的格点以松散或紧凑分布下体系的总能、形成能以及电子态密度进行了计算，结果表明Si原子倾向于取代TiAl3中松散分布的Al（2）原子.对c/a值的计算表明，随Al（2）格点Si原子浓度的增加，c/a值逐渐增大；而当Si取代Al（1）格点时，c/a值随Si原子浓度的增加而减小.研究表明，Si在TiAl3中的极限固溶度介于12.5at%—18.75at%之间.
2009, 58 (13): 216-S223.
doi: 10.7498/aps.58.216
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运用第一性原理研究了Mg-Sb合金中典型沉淀相α-Mg3Sb2的几何、电子结构和力学性能.结构优化得到的晶格常数和形成能与实验值符合很好.电子结构分析表明，具有半导体性质的α-Mg3Sb2带隙为0.303 eV，是间接带隙半导体.通过计算得到了α-Mg3Sb2的弹性常数，进而得到模量、泊松比等力学参数，对力学参数进行分析发现，α-Mg3Sb2有很好的延展性而塑性相对较差.通过对α-Mg3Sb2施加应变前后态密度的变化分析，发现对于六角结构的α-Mg3Sb2，与剪切模量相关的C11+C12，C33/2和与体模量相关的C11+C12+2C13+C33/2对体积变化不保守，而（C11-C12）/4和C44对体积变化保守.
2009, 58 (13): 224-S229.
doi: 10.7498/aps.58.224
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添加Nb被证实是提高TiAl合金抗氧化能力最有效的途径之一，但对于其机理仍然存在一些相互矛盾的解释.运用第一性原理方法对γ-TiAl氧化过程中存在的几种重要点缺陷杂质进行了系统的研究.在确定杂质的稳定结构基础之上，研究发现：γ-TiAl中Nb掺杂的形成能随着含量的增加而升高，导致γ-TiAl相的稳定性降低，对抗氧化性能造成不利影响；而间隙O和Ti空位的形成能随Nb掺杂量的增加而显著升高，因此Nb能有效地降低氧扩散及空位缺陷的进入，从而提高γ-TiAl的抗氧化性能；Nb掺杂对降低杂质含量的作用存在明显的局域特性，是一种近程作用，因此Nb在γ-TiAl中的作用与其含量和分布有关.
2009, 58 (13): 230-S234.
doi: 10.7498/aps.58.230
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运用第一性原理方法研究了L12型铝合金相Al3Sc和Al3Zr的晶体结构、电子结构和弹性.结合能和形成能的计算表明，两种合金具有较强的合金化能力，且Al3Zr较Al3Sc具有更强的结构稳定性.电子结构分析表明，费米能级以下较多的价电子数决定了Al3Zr具有较强的结构稳定性.计算并分析比较了两种合金相的单晶弹性常数（C11，C12和C44）以及多晶弹性模量（体弹性模量B、剪切模量G、杨氏模量Y、泊松比ν和各向异性因子A）.通过对比实验和其他理论计算结果，进一步分析和解释了两种合金相的力学性质.
2009, 58 (13): 235-S240.
doi: 10.7498/aps.58.235
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利用离散变分方法和DMol方法，研究了体心立方Fe中1/2［111］（110）刃型位错上扭折及掺杂（N，O）体系的电子结构.能量（杂质偏聚能及格位能）计算结果表明，杂质元素N，O进入扭折芯区的偏聚趋势，这与位错扭折引起的晶格畸变有关.同时，在杂质元素周围有一些电荷聚集，导致扭折上电荷的不均匀分布，杂质原子得到电子，其周围Fe原子失去电子.由于N原子的2p轨道与近邻Fe原子的3d4s4p轨道之间杂化，使N原子与近邻Fe原子间有较强的相互作用，不利于扭折的迁移，使位错运动受阻，有利于材料强度的提高；而O与最近邻Fe原子之间的相互作用较弱.杂质-扭折复合体的局域效应明显影响体系的电子结构、能量及性能.
2009, 58 (13): 241-S245.
doi: 10.7498/aps.58.241
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采用多尺度量子化学方法模拟了碳纳米管阵列的场发射特性.碳纳米管镜像势的作用可以等效地用原子尺寸的理想金属球的镜像势来代替.模拟计算结果表明，考虑了镜像势作用后的碳纳米管阵列发射电流密度比没有考虑镜像势的结果增大了约6倍.
2009, 58 (13): 246-S253.
doi: 10.7498/aps.58.246
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利用分子动力学方法研究了正化学比的TiAl/Ti3Al双相体系中剪切变形诱发位错形核以及相关结构转变的动态过程以及切变力场对最终结构的影响.研究发现，在TiAl/Ti3Al双相体系中剪切变形诱发黏滞-滑移式的滑移行为；界面在其中起到了传递能量、均衡协变的作用，界面两侧的异相结构保留了单相形变特征.六角密堆积（HCP）-Ti3Al部分各原子层较长时间内呈整体剪切协变，其后形变分化为应力集中诱发层错区和初始完整结构回复区；而面心立方（FCC）-TiAl部分因刚性较大仅存在微协变，其后局部受力区直接诱发相邻原子层间相对滑移，发生FCC向HCP结构转变.变形结构方面，HCP-Ti3Al部分在剪切力较大区域形成连续且稳定的FCC堆垛，近界面区FCC薄层与HCP相交替并存；而FCC-TiAl部分内禀层错和孪晶共存，当力场增大时形成亚稳HCP结构.
2009, 58 (13): 254-S258.
doi: 10.7498/aps.58.254
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对闭口硼氮纳米管（BNNT）顶层掺碳体系，运用第一性原理研究了电子场发射性能.结果表明，掺碳的BNNT体系电子结构变化显著；外电场愈强，体系态密度向低能端移动幅度愈大，且最高占据分子轨道（HOMO）/最低未占据分子轨道（LUMO）能隙愈小.体系态密度和局域态密度，HOMO和LUMO及其能隙分析一致表明，各种碳掺杂体系中CeqBNNT的场发射性能最佳.
2009, 58 (13): 259-S265.
doi: 10.7498/aps.58.259
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通过第一性原理计算研究了具有锯齿状边沿并且具有反铁磁构型的单层石墨纳米带的自旋极化输运.研究发现，在中心散射区同一位置掺入单个B和N原子，尽管对整个体系磁矩的影响完全相同，但对两个自旋分量电流的影响却完全相反.掺B时，自旋向上的电流显著大于自旋向下的电流；而掺N时，自旋向下的电流显著大于自旋向上的电流.这是由于不管掺B还是掺N都将打破自旋简并，使得导带和价带中自旋向上的能级比自旋向下的能级更高.掺B引入空穴，使完全占据的价带变为部分占据，从而自旋向上的能级正好处于费米能级，使得电子透射能力更强、电流更大，而自旋向下的能级则离费米能级较远使电子透射的能力较弱.掺N则引入电子，使得原来全空的导带变为部分占据，从而费米能级穿过导带中自旋向下的能级，使得自旋向下的电子比自旋向上的电子透射能力更强.
2009, 58 (13): 266-S271.
doi: 10.7498/aps.58.266
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应用转移矩阵方法求解三种不同量子阱体系中基于单带有效质量模型和包络函数近似下的一维定态薛定谔方程.首先，通过比较Ⅰ型单量子阱GaAlAs/GaAs/GaAlAs体系的解析解和数值解，该方法的精确性得到了验证.其次，与Ⅱ型断代量子阱AlSb/InAs/GaSb/AlSb系统的光致发光谱实验结果比较证实了该方法的适用性.最后，利用该方法推广计算了基于GaAs/GaAlAs材料的Ⅰ型耦合多量子阱体系的子带能级和波函数，说明了方法的通用性和实用性.
2009, 58 (13): 272-S277.
doi: 10.7498/aps.58.272
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基于经典电动力学导出的表征简单离子磁化率的磁性点价gi所构建的分子磁性连接性指数?mF及45种碱金属化合物的摩尔磁化率χm的实测数据集，利用粒子群寻优的支持向量回归（SVR）方法，建立了基于0F和1F的碱金属化合物χm的预测模型，并与基于多元线性回归（MLR）模型的计算结果进行了比较.结果显示，基于9次交叉验证的SVR模型预测的平均绝对误差、平均相对误差绝对值以及均方根误差均比MLR模型小，表明SVR模型的回归预测能力优于MLR.研究表明，磁性连接性指数mF是一种合适的分子描述符，SVR是一种预测碱金属化合物χm的有效方法.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2009, 58 (13): 278-S284.
doi: 10.7498/aps.58.278
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建立了在低Péclet数条件下三维溶质枝晶生长的数值模拟模型.该模型采用Zhu和Stefanescu 提出的溶质平衡方法，即根据固/液界面的平衡浓度和实际浓度之差计算固/液界面演化的驱动力.界面的平衡浓度由界面温度和曲率所确定，实际浓度通过采用有限差分法对溶质扩散控制方程进行数值求解而获得.该方法能够合理定量地描述枝晶从初始的非稳态到稳态的生长过程，并且具有较高的计算效率.为了描述具有不同晶体学取向的三维枝晶生长，提出了一种权值平均曲率算法用于计算固/液界面的曲率，在权值平均曲率的算法中耦合了界面能各向异性的因素.该算法简单易实现，并易于从二维推广到三维系统.为了对模型进行验证，将模拟的枝晶尖端稳态生长数据和理论模型的预测结果进行了比较.结果表明，模拟的Al-2wt%Cu合金枝晶尖端稳态生长速率和半径随过冷度的变化接近于Lipton-Glicksman-Kurz解析模型的预测结果.模拟分析了稳态枝晶尖端的形貌，发现三维枝晶尖端是非轴对称的，以四次对称的方式偏离旋转抛物面.最后，应用所建立的模型模拟出具有发达分枝和不同晶体学取向的三维等轴多枝晶生长形貌.
2009, 58 (13): 285-S291.
doi: 10.7498/aps.58.285
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建立了一个基于格子玻尔兹曼方法 （LBM） 的二维模型，对强制对流和自然对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行了模拟研究. 与传统的基于求解Navier-Stokes方程计算流场的方法不同，本模型采用基于分子动理论的LBM对凝固过程中的传输现象进行数值计算. 用三组粒子分布函数分别建立了计算流场、由对流和扩散所控制的浓度场和温度场的LBM演化方程. 通过求解LBM演化方程获得固/液界面前沿的浓度和温度分布. 然后，基于溶质平衡方法计算了枝晶生长的驱动力. 为了对模型进行验证，将模拟在强制和自然对流作用下枝晶上游尖端的稳态生长特征分别与Oseen-Ivantsov 解析解和修正的Lipton-Glicksman-Kurz 模型预测结果进行了比较， 模拟结果和理论预测结果符合良好. 模拟结果还表明，对流使热量和溶质从上游传输到下游，从而加速了枝晶在上游方向的生长，而抑制了下游方向的生长，形成了非对称的枝晶形貌.
2009, 58 (13): 292-S297.
doi: 10.7498/aps.58.292
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基于艾琳方程，提出用于定量分析纤维表面和纳米涂覆层间的纳米界面结构的理论模型.实验结果表明，纤维高分子链段受力塑性变形时，纳米界面结构内纳米微粒阻碍其形貌变化产生热激活体积，该热激活体积是纳米界面结构性能的重要表征；氧等离子体处理对纳米二氧化硅溶胶涂覆高强、高模聚乙烯纤维有增韧作用.由不同处理样品的扫描电子显微镜图片和傅里叶变换红外光谱曲线对比分析可知，经氧等离子体处理纳米二氧化硅溶胶涂覆高强、高模聚乙烯纤维的纳米涂覆层纳米颗粒分布均匀，纳米颗粒还填补纤维表面微观缺陷，活性官能团被引入到纤维表面.
2009, 58 (13): 298-S305.
doi: 10.7498/aps.58.298
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氦等离子体处理纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维能构造出特定空间结构形态的纳米涂覆层.扫描电子显微镜照片显示，经氦等离子体处理后纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维的纳米涂覆层在纤维表面分布均匀，起到填补纤维表面微观缺陷的功能.X射线光电子能谱及傅里叶变换红外光谱显示，纤维表面被引入了活性官能团，纳米二氧化硅涂覆层与碳纤维间有表面激活反应.形成纳米界面结构的T300碳纤维表面与纳米二氧化硅涂覆层间的相互作用符合艾琳方程，利用热激活体积可以对其相互作用进行定量分析.拉伸试验表明，屈服塑性变形导致纳米界面结构热激活，纳米微粒阻碍碳纤维表面大分子链形貌变化的热激活体积是纳米界面结构性能的重要表征.
2009, 58 (13): 306-S312.
doi: 10.7498/aps.58.306
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采用密度泛函理论研究了氢掺杂单层石墨（graphene）体系，并采用密度泛函微扰理论方法计算了体系局域振动模（LVMs）.结果显示，高频位置的LVMs数目与缺陷中氢原子数相等，而不同掺杂类型的LVMs频谱位置各不相同.研究结果及分析表明，LVMs测量是评估质子辐射下石墨样品的替位氢掺杂类型及其含量的有效方法，该方法可推广应用于研究其他掺杂体系.
2009, 58 (13): 313-S318.
doi: 10.7498/aps.58.313
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用元胞自动机方法模拟铸轧凝固组织，采用有限元方法模拟铸轧过程中熔池内部的宏观传输现象，将二者耦合模拟了镁合金铸轧薄带凝固过程中晶粒的形核与长大过程.阐明了薄带铸轧工艺过程中的主要工艺参数（浇注温度、铸轧速度等）对镁合金薄带凝固组织中晶粒大小、取向等的影响规律.这为通过工艺优化来控制铸轧薄带的凝固组织提供了理论依据.
2009, 58 (13): 319-S326.
doi: 10.7498/aps.58.319
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基于微观相场动力学模型，运用原子图像、平均长程序参数和平均成分偏离序参数，研究了Al浓度对Ni75Cr25-xAlx合金中L12相和D022相形核孕育期的影响以及孕育期与沉淀相析出顺序之间的关系.结果表明，L12相和D022相的形核孕育期不仅与Al浓度有关，而且与两相析出的先后顺序密切相关.当Al浓度小于7.5%时，先析出相为D022相，随着Al浓度的增大，D022相形核孕育期延长，后析出的L12相的形核孕育期也延长，L12相的原子簇?聚?速度加快；当Al浓度大于7.5%时，先析出相为L12相，随着Al浓度的增大，L12相的形核孕育期缩短，后析出的D022相形核孕育期也缩短.当Al浓度为7.5%时，L12相和D022相几乎同时析出，两者的孕育期没有明显的差别.
2009, 58 (13): 327-S337.
doi: 10.7498/aps.58.327
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复合材料的研究中经常遇到具有周期孔洞结构的材料，由于区域的小周期性及剧烈振荡性，用传统的有限元计算方法来计算这些材料对应的问题时需要大量的计算机存储空间及计算时间.对这类材料的热力耦合问题给出了一种新型的高阶双尺度渐近解，得到了对应的均匀化常数、均匀化方程及对应的有限元算法.数值算例表明，周期单胞的局部结构对局部应力与应变有较大的影响.算法对数值模拟这类材料的力学行为是高效和可行的.
2009, 58 (13): 338-S342.
doi: 10.7498/aps.58.338
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高温循环变形是结构材料性能降级的主要原因之一.用透射电子显微镜对低活化铁素体/马氏体钢——JLF-1钢低周疲劳样品的微观结构进行了分析，并测试了循环变形前后此钢显微维氏硬度的变化.为了掌握JLF-1钢性能在高温循环变形中的变化机理，依据位错理论，用最小二乘法对高温循环变形后的显微维氏硬度与微观结构进行了回归计算，得到了此钢显微维氏硬度与板条尺寸、位错胞尺寸、位错密度的数值关系.
2009, 58 (13): 343-S348.
doi: 10.7498/aps.58.343
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Ti-6Al-4V是典型的α+β钛合金，不同热处理制度和热加工工艺下可得到形貌各异的微观组织，从而表现出不同的力学性能，深刻理解合金中微观组织的形成机制有助于合金的进一步优化和改造.采用相场方法模拟Ti-6Al-4V合金中片层组织的形成及演化，以热力学数据库和动力学数据库为输入，通过计算定量预测β晶界上已存在初生α相时合金组织随时间的演化.结果表明，在一定条件下，随着时间的延长晶界α向β晶内生长形成片层组织，片状α簇的形貌与界面能各向异性密切相关；晶界取向对片层生长有重要作用，垂直于晶界生长时产生最密集的片层，随倾斜角增大片层加厚且生长缓慢；此外，热处理温度显著改变片层组织形貌，温度越高，片层尖端生长速度越慢，片层间距越大.
