2.2铁元素的相变

在常温常压下，铁元素具有面心立方结构，通常情况下称其为α-铁或者铁素体。在常压的条件下，随着温度的升高，α-铁在1184K下发生了相变，晶体结构由bcc转变为fcc,这种具有fcc结构的铁被称为γ-铁或者奥氏体。再次升温到1655K，γ-铁再次发生相变，由fcc结构再次转变到bcc结构，高温下具有bcc结构的铁被称为δ-铁。另外，增加外部的压强也可以造成铁元素的相变。当压强由常压升高至13GPa时，α-铁会转变为具有密排六方结构的ε-铁。另外，温度的变化还会诱发铁元素的磁性相变。当温度达到1043K，也就是居里温度时，铁会由铁磁性转变为顺磁性。这里我们需要说明，以上的结构变化都是基于平衡态。马氏体相变是非平衡态下的相变。因此在铁或者铁-碳相图上观察不到马氏体相。

2.3马氏体的相变

马氏体相变是在剪切模式下进行的位移性相变。在马氏体相变中，两相之间宏观弹性形变被用来维持界面的连续和相干性，两相间扭曲能量足以改变动力学和相变产物形态。马氏体相变具有如下的特征。首先，马氏体相变是一种无扩散形的相变。其次，由温度诱发的马氏体相变往往发生在一个温度区间，而不发生在某个温度点。再次，马氏体相变时仅改变其晶体结构，而不发生成份上的改变。最后，马氏体相变的速度非常快，几乎可以接近声速，这就为实验上捕捉相变过程中原子的具体运动造成了很大的困难。

图1显示了马氏体相变可能的路径，其中构成bcc 晶格为蓝色原子，构成fcc晶格的为绿色原子，红色箭头表示原子在相变过程时的运动方向，bcc相与fcc相的共同切变方向用黑色箭头来表示。早在1924年，贝恩提出了马氏体相变是通过fcc晶格在两轴上的拉伸和单轴上的压缩形成bcc晶格，如图1(a)所示。尽管贝恩模型得到了广泛的接受，但是贝恩模型无法解释马氏体相变中惯习面的存在，即在相变过程中不畸变不转动的平面。另外贝恩模型所描述的相变路径并没有在实际实验中被观测到。在贝恩模型的基础上，Nishiyama、Wassermann和Kurdjumov-Sachs分别提出了各自的模型，被称为西山关系和K-S关系，见图1(b)和1(c)。在他们的模型中，母相fcc的最密排面与新相bcc的最密排面互相平行，并且考虑了切变在马氏体相变中的作用。大约由90%以上的马氏体相变遵循西山或者K-S关系。

2.4薄膜材料的相关研究

薄膜材料长久以来一直得到广泛的研究。物理气相沉积法、化学气相沉积法等都是薄膜制备的方法。当薄膜的厚度到达纳米级时，薄膜就会被称为纳米薄膜。纳米薄膜已经被广泛地运用到我们生活得各个领域如太阳能电池、集成电路、传感器等领域。Hardwick等[3]对不含基底的薄膜材料的力学性能进行了综述。Vinci和Valssak[4]对薄膜力学性能的测试方法做了总结。近年来，薄膜材料中的相变现象开始得到了重视，这些研究主要集中于薄膜材料中的马氏体相变以及形状记忆效应。Brückner等[5]研究了320nm厚度的NiCr薄膜退火时发生的相变并分析了薄膜材料中的内应力。Cuenya等[6]对超薄Fe薄膜中的fcc/bcc相变进行了研究并且建立了相变机理与薄膜厚度之间的函数关系。在FePd薄膜中，Edler等[7]观测到了马氏体相变并且发现该相变与薄膜的形状记忆效应有直接的关系。通过对以上文献的阅读梳理，我们可以总结，由于表面原子在纳米薄膜中所起的作用，其力学行为和相变机理与传统块状材料存在一定的差异。

3  分子动力学

3.1分子动力学概述

分子动力学模拟是通过经典力学建立分子体系模型的一种，利用求解分子体系运动方程，对分子和分子体系结构与性质进行研究的计算机模拟方法。分子动力学作为一种分子模拟技术在各个方面应用的都非常广泛，在各个领域和学科中都起到了非常重要的作用。此外，分子动力学适用于模拟一些实验中难以达到的极端条件，如冲击波和极高的加热/冷却速率。分子动力学(MD)模拟用于研究低指数晶面的机械性能。分子动力学的过程基本可以分为建模、弛豫、数值模拟这三个部分。本章对分子动力学的基本原理进行阐述。 薄膜相变的分子动力学模拟(3):http://www.chuibin.com/wuli/lunwen_205859.html