材料科学的概念是因为上世纪五十年代苏联发射第一颗人造卫星，这比美国发射的时间 还早，一时间震惊了美国上下，他们经过讨论，在一些著名的大学内部建立了材料科学研究 中心，主要目的是采用先进的科学理论，结合科学的实验方法来研究制造新的功能强大的材 料，因此出现了“材料科学”这个新的名词。

计算机模拟在材料科学中主要应用于材料行为工艺研究、材料数据库和知识库、材料设 计、材料加工控制、材料性能表征与检测、材料数据和图像处理、材料科学研究等方面，计 算机模拟技术是根据实际体系在电脑上进行的模拟实验，把得到的实验结果和实验数据进行 对比，从而检查该模型的准确程度。在模拟体系获得的关于材料的信息通常比通过实验得出 的多得多，在一些情况下，计算机模拟已经可以很好地取代实验，此外，计算机模拟同样支 撑着理论的发展，为现实中无法做出的模型提供了新的探索之路。

随着材料科学研究日益广泛，在工业生产中，材料科学占有重要的位置，在经济上也起 着一定的作用。材料科学不仅在传统方面有着明显的进步，在新材料研究中也有着突破性的 进展。计算机模拟是一种根据研究的实际体系，在计算机上进行模拟实验，这样的优点是不

仅能够模拟实验过程，还能了解材料的微观性质，可以在加工材料成品出来之前就知道材料 的性能。而且使材料不受实验条件、时间和空间的限制，能更好的测量材料的性质和用途。 具有良好的随机性和灵活性。大大提高了科研工作者的工作效率，降低了工作强度，并能节 省大量的资金。将计算机模拟应用于材料领域，促进了材料科学的研究，同时也促进了材料 生产领域的预测和控制。

2 势函数理论

2。1 势函数的类型[2] 针对不同类型的体系，常选取的势函数形式有: Lennard-Jones 势 b

Morse 势

Buckingham 势

Fumi-Tosi 势(Born-Mayer-Huggins 势)

以上各式中，r 表示两粒子间距离，即 ，Z 表示其它参数均是与体系有关的常数。其中

Lennard-Jones (L-J) 势和 Morse 势常用于表达非极性分子间相互作用其中均包含引力和斥力 作用。特别是 L-J 势，是一种经常使用的模型势，被广泛地应用于原子模拟当中。比较常用 的形式为 m=12，n=6 的形式，称为 12－6 势。L-J 势中的两项分别代表原子间的排斥作用和 吸引作用，它们都有幂函数的形式。而在 Morse 势中，两项都写成指数函数的形式，在 Buckingham 势中，排斥项为指数函数而吸引项为幂函数。Fumi-Tosi 势和 Pauling 势当中包含 了四项，分别代表库仑作用、短程排斥力作用、偶极－偶极作用和偶极－四极作用，该势函 数亦称 Born-Mayer-Huggins 势，一般用于熔盐等含有库仑力的体系，并且对于碱金属卤化物 体系已有一套经典的势参数。关于库仑势要特别说明一下，由于库仑势是按 1/r 衰减的长程作 用，它随粒子间距离衰减得很慢，所需的截断距离就要很长，直接计算的话，还是相当耗费 机时的，所以一般不能简单地用截断方法处理，经典的处理方法是 Ewald 求和［3］。

2。2   金属势函数

对于金属体系，以前也用 L-J 或者 Morse 等有效双体势(对势)来描述。但是用双体势 描述金属晶体有一个很大的缺点，就是使用对势来描述晶体总会导致所谓的 Cauchy 关系，即

弹性系数 C12=C14，但是在金属晶体中并不存在这样的规律。同时，在双体势中，两个原子之 间的相互作用只与这两个原子之间的距离有关，而实际上两个原子之间的键合强度在很大程 度上与原子所处的环境有关，这个“环境”则是由这两个原子周围的其它原子所决定的。我们 所说的双体势里面隐含着“有效对势”的思想，但是这样简单的描述总是不足以反映周围其它 原子对于所考虑的原子对之间的相互作用。因此要想较精确地描述金属体系，应该采用多体 势。目前最为流行的描述金属中原子间相互作用的方法是嵌入原子法(Embedded Atom Method, EAM)。