«——【·前言·】——»
作为最重要的建筑材料之一，铁广泛用于各种工业领域，如汽车、天然气运输和发电。
纯铁的热力学相图表示三种不同的晶体结构以及液相，在标准大气压下，铁在室温至1184 K之间表现出体心立方晶体结构，在1184 K至1665 K之间表现出紧密堆积面心立方结构。
在1665 K以上至1809 K之间表现出高温BCC相，在高于约13 GPa的压力下，具有六方紧密堆积结构的ε-Fe在0 K保持稳定。
马氏体在钢的淬火过程中由奥氏体形成，马氏体的形成涉及原子在小于原子间距离上的集体运动，其速度可能与声音一样高。
由于难以观察这些原子过程，对马氏体转变性质的实验研究有限。
分子动力学模拟被证明，是有助于更好地理解实验结果和马氏体转变机理的方法之一。
«——【·实验材料与方法·】——»
在马氏体转变过程中，原子的协调运动，导致母体奥氏体和新形成的铁素体晶格之间的特定取向关系，其中α相和γ相中的一对紧密堆积平面平行或几乎平行。
1924年，贝恩通过在FCC晶体中定义BCT晶胞，提出了fcc到bcc晶体结构的转换路径。
贝恩路径涉及z轴扩展约21%和x，y轴收缩约12%。
在FCC母相和BCC马氏体之间观察到，主要OR与贝恩变换预测的OR不同。
在MD仿真中，开始固固相变换的最简单方法是使用亚稳晶体结构。
对于铁中马氏体转变的模拟，低温fcc结构在大多数情况下是亚稳相，在这种情况下，在从0 K到熔化温度的所有温度下，BCC相比fcc相更稳定。
两相之间的吉布斯自由能差，将导致在足够高的温度下自发的fcc到bcc转变，因为没有体积或其他约束阻碍相变。
使用“Finnis-Sinclair”电位研究了FCC到BCC的转变，该电位描述了稳定的BCC阶段。
fcc到BCC的转变的特征是自由能的演变，因为fcc结构的晶胞沿着贝恩路径扭曲到BCC结构。
模拟分别在1200 K和1400 K下完成，构建了纯FCC的初始配置，并将温度固定为零压力。
马氏体转变在1400 K处自发发生，所有方向均有非周期性边界条件。
而在1200 K处没有发生转变，来自模拟体积热波动的应变和应力导致了相变。
在FCC结构完全转变为BCC结构之前，出现了中间孪晶结构，最后消失了。
在实验中，类似的孪晶结构也在钢的马氏体转变过程中形成，但它在形成后保持稳定，因为马氏体相的体积受到奥氏体基体的限制。
据报道观察到BCC相的“均匀成核”，没有成核位点，例如扩展缺陷，位错或晶界。
在模拟过程中，所有方向都采用了非周期性边界条件，这意味着自由表面可以作为fcc到bcc转换的成核源。
考虑到不同的晶体结构，在所示的构型中具有相同的颜色，因此很难确定BCC原子核的起源。自适应共邻分析应该是区分不同相的晶体结构和定位相界面或晶界的好选择。
这可能有助于确定BCC相是在FCC相内均匀成核还是在表面异质化。
很难区分系统中体积小的相邻成核中心，其中只有数千个原子。由大约1 000 000个原子组成的模拟系统应有助于观察成核位点。
外部约束，即模拟系统的固定体积，也会对FCC到BCC的转换产生影响。
由于系统的体积固定，即使在高温下也不会发生相变，而完全自由的系统在没有潜伏期的情况下自发发生转变。
通过引入内部体积/压力松弛方式，即使在固定体积的模拟中也发生了fcc到BCC的相变。
以前的研究表明马氏体转变发生在模拟中，大部分Fe-Ni合金的空位密度过高。
分离的非球形颗粒或者在温度降低的模拟中，一系列纳米颗粒也有助于马氏体成核。对于这种情况，FCC相在晶粒的三重结附近局部转变为BCC。
通过两个孪晶形状的fcc晶粒嵌入到fcc矩阵中，fcc到BCC的转变从两个颗粒相遇的地方开始，并在水平上传播，形成异质结构，界面能和晶界处的自由体积的组合被认为引发了自发转变。
从上面的分析可以看出，在没有相界面的模拟单元中，fcc到BCC的转换发生在外部条件下，例如外部应力，缺陷和自由表面等。
然而，具有固定体积的模拟池即使在高温下也可能没有发生转化。
马氏体转变将优先从存在应变或应力的区域开始，如果发生均质成核，则需要孵育时间来形成关键核。
由于晶界中存储的高势能，引入晶界也将促进FCC到BCC的转变，来自晶界的自由体积也为原子提供了开始变换的迁移率。
马氏体转变的特点是FCC和BCC相之间的特殊OR，对应于不同的转化路径。
产品BCC相位和FCC相位之间最常见的取向关系是KS OR和NW OR，因此它们是MD仿真初始配置中BCC/FCC界面上最常研究的方向。
构建了两个界面，靠近贝恩和KS的方向，以使用MD仿真研究FCC到BCC的转换。初始配置包括两个 bcc/fcc 接口。
“约翰逊”的潜力用于建模，模拟是在零压力和恒温下进行的，使用贝伦森型的恒压器和恒温器。
模拟单元的故障会引发不同类型的位错，比如D型位错γ和B型位错α，D型位错每隔一个原子平面就会产生一系列叠层，形成T/2断层。
而B型位错则每三个原子平面上产生一系列叠层，形成T/3断层，这两种位错会形成断层带，并在交集区域形成断层带交点。
对于纳米级系统的模拟，表面会对FCC到BCC的转变产生较大影响，因为尺寸有限。
桑多瓦尔和乌尔巴塞克通过分子动力学仿真研究了圆柱形铁纳米线的固固相转变，并研究了转变温度与纳米线直径、加热/冷却速率和拉伸应力之间的依赖关系。
研究采用了Meyer和Entel提出的EAM铁潜力，并将周期性边界条件应用于沿圆柱轴方向。结果显示，直径小于0.5 nm的纳米线的FCC/HCP到BCC转变点与冷却速率无关，而直径为4 nm的纳米线的转变温度降低。
发现FCC/HCP到BCC转变的阈值应力与施加的轴向应力成反比，当纳米线受到高于3 GPa的临界拉伸应力时，它将不会恢复到初始形态，超过该应力阈值后，FCC/HCP到BCC相变会被抑制。
«——【·实验结果与讨论·】——»
在系统A中，所有三个方向都采用了周期性边界条件，并且在不同温度下没有观察到明显的界面运动。
在初始阶段，bcc配置的原子数量仅略有增加，并没有发生后续的相变。
对于系统B、C和D，它们至少具有一个自由边界，观察到fcc/bcc界面的移动非常快，并且观察到了所有这些系统的孵育时间。
对于具有较大体积与表面积比的系统，需要更长的孵育时间，因为必须在自由表面上容纳更多的不匹配。
BCC和FCC单晶通过满足NW OR进行连接，在KS OR的情况下，OR相对于[5 26 1]从NWOR旋转1.1°催化裂化轴。
其他中间OR是通过相对于从NWOR旋转OR1°和1°来制备的，催化裂化轴分别是NW和KSOR，研究发现了两种传播模式：平面传播和针状传播。
对于NW和接近NWOR之间的所有取向，在相变的初始阶段观察到了fcc-BCC界面的平面传播。
对于KS和接近KS OR的情况，在初始平面传播后观察到了针状传播，计算结果显示，针状生长的速度比初始传播阶段的平面传播速度快十倍。
晶格匹配对fcc-bcc相变动力学的影响，相变始于晶格匹配区，并遵循贝恩变换路径，fcc到BCC的变换优先在具有小原子应力的区域开始，对应于fcc和BCC晶格之间晶格匹配良好的区域。
NW关系中的匹配面积比高于KS关系，这是导致BCC/FCC界面在NW和KS OR中分别出现平面和针状传播模式的原因。
通过使用EAM电位的MD模拟，研究NW和KS或铁中的bcc / fcc界面。
对bcc/fcc界面相变的分析基于原子的能量，而不是bcc和fcc相之间晶格的“匹配/不匹配”。
发现原始BCC阶段的增长从低势能区开始，并在bcc / fcc界面的高势能区结束。
研究了相变前后低势能区原子的堆积，与Olson和Cohen提出的剪切模型吻合较好，基于博格斯和汉堡模型。
基于原子在这些区域的位移，研究了控制原始BCC相生长的机制，表明低势能区的马氏体机制和高势能区的原子偶尔扩散跳跃。
还研究了NW或KS中BCC / FCC界面对FCC到BCC转换的影响。
“迈耶-恩特尔”的潜力用于MD仿真，以描述BCC和FCC相之间的双向变换。
在0 K处通过共轭梯度的能量最小化方法对界面进行松弛，弛豫后相界结构未被破坏。
温度对于FCC到BCC相变有影响，研究发现，根据界面方向和温度，最大界面速度在200-700 m/s范围内变化，温度升高时界面速度线性降低，表明界面运动不受热激活的影响。
相反，BCC和FCC相之间的自由能差是驱动fcc到BCC转变的力量，也是界面运动的驱动力。
Wang和Urbassek的研究固定温度在100 K下发现了FCC到BCC的相变，在固定温度1300 K下，观察到逆向的BCC到FCC相变。
根据“迈耶-恩特尔”潜力，在550±50 K的温度下，BCC相比FCC相更稳定，而高于该温度的FCC相比BCC相更稳定。
研究还发现fcc/BCC双向相变的成核和界面运动，对温度具有很强的依赖性。
在这项研究中，构建了包含BCC/FCC界面的模拟单元，并在NVT集合中进行了仿真，所有三个方向都采用周期性边界条件，并施加剪切变形。
研究人员研究了从300到700 K的五种温度，以100 K为增量，涵盖了低于和高于“迈耶-恩特尔”电位转变温度的范围。在没有施加剪切的情况下，系统和界面在这些温度下保持稳定，没有发生相变。
在施加剪切的情况下，低于500 K的温度下发生了FCC到BCC的转变，而在温度低于500 K或高于<> K时不会发生FCC到BCC的转变。
在300 K下施加剪切力，观察到均匀和异质成核的BCC相，均匀有核的BCC相导致新的晶界的增长。
均匀有核的BCC相具有不同的OR，BCC相从相界面生长，导致新形成的晶界的存在，这与之前的研究结果一致。
FCC相随着原始FCC/BCC界面的运动而减小，在最终的配置中，超过90%的系统转变为BCC相，额外的10%主要以FCC晶格中的堆叠缺陷的形式存在。
在400 K的温度下，也观察到类似的相界面运动。
在低剪切角度下，形成了中间的hcp结构，这与300 K下的模拟结果不同。
此外在该模拟中并未观察到均匀成核，只观察到相界面处BCC相的异质生长。
在接近转变温度的400 K时，均匀成核的驱动力很，由于形成稳定的均匀成核必须克服活化能，因此异质成核在能量上更有利。
对于具有较大剪切角度的样品，观察到双胞胎结构，而在其他温度下并未观察到该结构。
均匀应力状态可能导致双带形成，这是一种有效缓解高应力的方法。
系统中存在残留奥氏体相，fcc到BCC相变未完成。
在500 K时，系统接******衡转变温度，未观察到相变，未观察到BCC相的均匀和异质成核。
在高于500 K的温度下，BCC相转变为hcp或fcc相，因为温度高于“迈耶-恩特尔”电位在550 K下的0 K转变温度，不同温度下的fcc到BCC转变会影响成核和界面迁移率。
同时，不同的弛豫温度还会影响BCC和FCC相的相对稳定性。
通过在不同温度下进行，弛豫的fcc/BCC双相系统研究了其界面与NW OR的传播。
通过改进的“芬尼斯-辛克莱”潜能，考虑了原子电荷密度对模拟中的相互作用距离的影响。
«——【·总结·】——»
铁中的马氏体转变是一个重要的相变过程，可以通过分子动力学模拟来研究。
马氏体转变是指铁晶体，从面心立方结构转变为体心立方结构的过程，在分子动力学模拟中，可以通过模拟铁原子的运动和相互作用来研究马氏体转变。
模拟通常基于原子间的势能函数，如经验势或量子力学计算得到的势能面。通过在模拟中引入温度和应力等外部条件，可以模拟不同温度和应力下的马氏体转变过程。
在模拟中，可以观察到马氏体转变的一些关键特征，随着温度的升高，马氏体转变的速率会增加。
分子动力学模拟是研究铁中马氏体转变的有力工具，可以揭示转变的动力学过程和相变机制。
通过模拟，可以获得关于转变温度、速率和微观机制的重要信息，对于材料科学和工程具有重要的应用价值。
«——【·参考文献·】——»
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