摘要：应用分子动力学方法，通过大规模，并结合Tersoff势函数计算研究晶体材料的力学性能、结构转变以及物理特性。可将α-SiO2在常温单轴加载过程分成三个阶断，依次为：弹性变形、塑性变形以及断裂变形。其中屈服强度、断裂强度分别为22.6GPa和36GPa。随着温度的升高，α-SiO2的屈服强度和应变逐渐降低，晶体非晶化转变所需的屈服应变也逐渐降低，高温引起α-SiO2晶体的断裂应力和应变逐渐降低。 关键词： 分子动力学 力学性能 应力 晶体 α-SiO2在常温下具有稳定的晶体结构。目前针对α-SiO2的研究通常采用实验观测高压下非晶化的相变，如：王德军[1]研究了α-石英在高温高压下的结构转变，将α-石英在高温高压下合成了小尺度的柯石英；Palmer等[2]研究了α-SiO2在常温下的加压相变过程，得到了石英相变的规律；张广强等[3]通过机械球磨研究了α-SiO2在高温高压下的结构转变以及形成柯石英的实验条件；Dubrovinsky等[4]研究了α-SiO2的高压相变，得到了类似α-PbO2结构的石英相，当应力为25~35GPa时，发生非晶化转化，卸载压力后完全非晶化。近年来，应用分子动力学方法，通过大规模并行计算研究晶体材料的力学性能、结构转变以及物理特性已引起人们广泛关注[5-9]。如潘海波[10]通过分子动力学方法用Morse势模拟了α-SiO2的高压相变，结果表明，晶体在高于24.6GPa时发生非晶相变，其计算结果与实验结果相符。实验上通常采用加压(静水压)的方法研究石英α-SiO2的相变过程，随着计算材料的发展，应用分子动力学方法表征材料的力学特征已得到广泛应用。本文应用分子动力学方法研究α-SiO2在准静态应变加载下的力学性能，通过分析常温下应力应变曲线的变化，分析α-SiO2在常温下的力学性能，并考察温度对拉伸力学性能的影响规律。 1、模型和方法 1.1 模型 α-SiO2的晶体模型如图1所示。在SiO2中，硅位于正四面体中心，4个氧原子位于正四面体的4个顶角上，图1(A)表示SiO2在体心立方结构中的晶胞。根据笛卡尔坐标构建α-SiO2的晶体结构，如图1(B)所示。其中，xyz三个方向上的晶格常数分别为a=0.4978nm，b=0.4978nm，c=0.6948nm，盒子长度为30a 30b 30c，总原子数为324000个，在xyz三个方向上均采用周期性边界条件。 1.2 模拟方法 在分子动力学模拟过程中，先用Tersoff势函数[11]描述Si—O间的相互作用，再在NPT系综下，以时间步长1fs，用Nose-Hoover热浴方法在常温下进行弛豫，弛豫步数为10000步。模型弛豫过程中的能量变化如图2所示。由图2可见，晶体模型在10ps后达到平衡。在NVT系综下进行准静态单轴加载，加载的方式为应变加载，加载应变率为1 109/s，用Nose-Hoover热浴方法控制系统温度保持其在相应的温度条件下，分别模拟α-SiO2晶体在300，500，700，900K的拉伸力学性能。用LAMMPS代码[12]模拟α-SiO2晶体的力学性能。 图1α-SiO2的晶体模型；图2模型弛豫过程中的能量变化；图3α-SiO2在常温下拉伸的应力-应变曲线 2、结果与讨论 2.1 常温下应力-应变曲线分析 α-SiO2在常温下拉伸的应力-应变曲线如图3所示。应力-应变关系可反映材料的基本力学性能[13-16]，由图3可见：随着应变的增加，α-SiO2晶体在应变为4.7%时出现弹性极限(图3中A点)，且应力与应变呈非线性关系；A点后晶体进入弹性变形阶段，应力与应变呈线性关系；当应变为32.6%时，应力达到第一个屈服点，屈服应力为22.6GPa，与实验和理论结果一致[4，10]；随后晶体进入塑性变形阶段，应力在B点和C点间振荡，纳米晶体发生非晶化相变；随着加载的进行，应力逐渐增加至峰值C点，α-SiO2晶体进入断裂阶段，断裂强度为36GPa.随着应变的增加，应力急剧下降为0，α-SiO2晶体完全断裂。即α-SiO2晶体在常温单轴拉伸过程中经历了弹性阶段、塑性阶段(非晶化相变)及断裂阶段。通过Hooke定律计算可得α-SiO2晶体的弹性模量为69GPa，因此，α-SiO2晶体的强度较高。 2.2 温度效应 α-SiO2晶体在不同温度下的应力-应变曲线如图4所示。由图4可见：屈服应力和屈服应变随温度的升高而降低，即α-SiO2晶体弹性变形阶段随温度升高而缩短，达到屈服强度所需的加载应变减小；弹性模量随温度的升高而逐渐降低。α-SiO2在不同温度下拉伸的力学参数列于表1.由表1可见：当α-SiO2晶体的加载温度由300K升高至500K时，α-SiO2晶体的弹性模量降低了2.29GPa；当温度由500K升高至700K时，弹性模量降低了1.34GPa；当温度由700K升高至900K时，弹性模量降低了1.26GPa.由于高温引起α-SiO2晶体弹性模量下降的辐度较小，因此高温仅略降低了α-SiO2晶体强度，对整体强度影响较小。 图4α-SiO2在不同温度下的应力-应变曲线；表1α-SiO2在不同温度下拉伸的力学参数；图5不同温度下断裂应力和应变的变化曲线 不同温度下断裂应力和应变的变化曲线如图5所示。由图5可见，随着温度的升高，断裂应力约从36GPa降低至29GPa，呈直线下降趋势。断裂应变随温度升高在下降过程中出现反弹，但整体呈下降趋势。因此，温度越高断裂应力和应变越低，α-SiO2晶体在高温单轴加载下易出现断裂。综上，本文采用分子动力学方法，结合Teroff势函数，模拟了α-SiO2晶体的力学性能，并研究了温度对α-SiO2力学性能的影响。 结果表明：α-SiO2在常温单轴加载过程中经历了弹性变形、塑性变形以及断裂变形3个阶段，其中屈服强度为22.6GPa，断裂强度为36GPa，在塑性变形阶段观察到α-SiO2从晶相向非晶转化的相变过程；随着温度的升高，α-SiO2的屈服强度和应变逐渐降低，晶体非晶化转变所需的屈服应变也逐渐降低，高温引起α-SiO2晶体的断裂应力和应变逐渐降低。