众所周知，物质的微观结构决定着其宏观性质，研究物质的微观结构能够更加详细 的了解物质在宏观上的体现，了解其微观结构的变化过程尤为重要，细致深入的研究物质 的微观结构的变化过程能够使我们更加了解其性质，从而利用改变物质的微观结构来使物 质表现出我们所需要的特性，从而制造出人类生产生活所需要的钢铁材料以方便我们的生 活。而相变正是原子层面微观结构上的改变，因此研究相变与提高材料性能有着密不可分 的关系。

此次课题所要研究的内容是利用分子动力学模拟研究关于纯铁这种基本物质在相变 过程中的过程演示，其中包括了测定原子的晶格常数、体弹模量、空位形成能、相平衡温 度等内容。通过此次模拟研究我们能够从电脑的模拟过程中获得纯铁在相变过程中的一些 数据，从而分析铁原子在相变过程中的运动轨迹，更加细致的了解其相转变过程。

在此次课题研究开始之前，了解到目前国内的刘永长[1]等人采用了高精度膨胀仪观 察了纯铁中奥氏体到铁素体的转变过程，对相变热力学及动力学做了分析。他们认为，相 界面前沿弹性畸变所积聚的弹性能是诱发相变的主要因素。李峰[2]等人对纯铁中相变的 扩散理论进行了研究，标定了发生平衡相变或者马氏体相变的临界冷却速度。魏秋明[3] 等从马氏体相变的实际过程出发，研究了纯铁马氏体的相变热力学问题，测定了纯铁马氏 体相变的相变温度以及相变驱动力，从理论上澄清了有关马氏体相变热力学的争论。王春 芳[4]等人从研究方法的角度出发，结合实例介绍了热膨胀法在钢铁加热相变、连续冷却 曲线及转变曲线等方面的应用进行了概述。而在国外分子动力学方法也成功地被运用到对 纯铁或者钢铁相变的研究中去。Engin[5]等人对常用的铁原子间相互作用势做了分析，得 出结论，在现有的势中，仅有 Meyer-Entel[6]势可以准确地描述奥氏体及马氏体之间的双 向相变。Bos[7]等人报道了在分子动力学模拟中，在周期性边界条件的情况下，并无法观 察到相界面的移动现象。Song[8]等人在 Bos 的基础上，对双相体系的模拟进行了优化， 设计了“台阶状”的相界面，从而在纯铁双相体系中观察到了相界面的移动。Tateyma[9] 等计算了 NW、KS 取向及介于两种取向之间的相界在马氏体相变中的迁移速度。除了块

状材料以外，分子动力学也被应用于纯铁纳米体系的模拟中。Sandoval[10-12]等模拟了纯 铁纳米线中由温度及应变而引发的相变，发现了高应变下晶格重排及回复相变等有趣的现 象。而我们所要做的是通过分子动力学作为指导思想，在电脑上进行模拟研究，解决纯铁 相变在极端条件下无法通过记录和直接观察来了解其过程的问题，为设计材料性能提供研 究思路。

1.1   金属纯铁

铁是世界上最重要的材料之一。它是地壳中最常见的第四种元素，而铁自古以来已被 使用约 5000 年。铁是银色和无味的金属，且能很好地导热和导电。另外，纯铁是很软的

（莫氏硬度 4）。由于这个原因，纯铁是工业上很少使用。相反，当添加其他元素时（基 本是碳元素），机械性能显著提高，例如硬度和抗拉强度的提高。其他添加元素也可以是 镍、铬、钼、硼等。这种铁合金被称为钢，广泛应用于器皿、建筑和工业应用如汽车等。

图 1.1 纯铁相图[13]

图 1.1 显示了纯铁相图。在常温常压下，铁（铁氧体）具有稳定的体心立方（bcc）

晶体结构。当温度升高至 1184K 时，铁由体心立方的结构改变为面心立方（fcc）结构。 这种晶体结构在铁中被称为奥氏体。在非平衡条件下（例如温度的快速变化）导致相变不 发生在平衡温度；通过加热，发生在转变温度以上（过热）或在转变温度以下（过冷度） 进行冷却。这种现象称为热滞后现象。因此，加热/冷却速率越高，变化越大。随着温度 的进一步升高，铁融化在 1811 K。在 13 GPa 以上的压力下，铁变成六方密堆积（HCP）