CN108090279B - 基于杂化lkmc和okmc模拟纳米结构核材料辐照损伤的方法 - Google Patents

基于杂化lkmc和okmc模拟纳米结构核材料辐照损伤的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于杂化LKMC和OKMC模拟纳米结构核材料辐照损伤的方法，包括以下步骤：建立OKMC区域事件速率表格；对于给定的界面，确定LKMC区域半径；建立LKMC格点与缺陷态之间的映射；建立LKMC区域不同缺陷态之间跃迁速率表格；扩大计算模型内速率表格；建立OKMC与LKMC过渡区域速率表格并进行速率处理；建立LKMC区域缺陷团簇事件速率表格并进行速率处理；对于不同区域的事件，调用相应的速率，选择、执行事件。本发明通过杂化LKMC和OKMC方法，对晶界不同区域采用对缺陷性质具有不同分辨率的计算方法，能够实现复杂界面结构处缺陷行为准确模拟，同现有的模拟方法相比，兼顾了模拟精度和模拟的时间、空间尺度，降低了粗粒化建模缺陷‑晶界作用时提取作用参数的难度。

Description

基于杂化LKMC和OKMC模拟纳米结构核材料辐照损伤的方法
技术领域
本发明涉及核材料辐照损伤模拟技术领域，尤其涉及一种杂化LKMC(LatticeKinetic Monte Carlo)和OKMC(ObjectKinetic Monte Carlo)模拟纳米结构核材料辐照损伤的新方法。
背景技术
材料遭受高能粒子(如中子、离子)辐照时，会生成空位-自间隙原子缺陷对，即“辐照损伤”。这些缺陷经过长时间的扩散、聚集形成缺陷团簇、空洞等，使材料的力学、热学等性能退化，出现肿胀、脆化等。近十年来，人们在实践中逐渐认识到纳米结构材料通常具有较好的抗辐照损伤性能，这与缺陷阱如表面、晶界等对辐照缺陷的捕获、进而促进其复合有关。
为研究纳米结构金属材料中辐照缺陷与界面跨尺度相互作用机理，人们通常是通过原子尺度的模拟方法如分子动力学，抽象出缺陷与界面作用主要原子过程，进而采用静态计算方法计算缺陷-界面作用参数，如结合能，扩散、复合能垒，作用范围等。然而材料中界面种类繁多，界面结构多样，如在平行晶界方向长周期晶界常常出现不同的局域结构，在这些结构附近缺陷性质截然不同，很难抽象出单一的作用参数，而在远离界面的区域缺陷性质类似于在块体材料中的性质。因此，需要开发一种既能分辨界面处空间位置依赖的缺陷性质，又能粗粒化处理远离界面区域一般块体中缺陷性质的模拟技术，以实现准确模拟纳米晶材料中辐照损伤微结构跨时间、空间尺度的演化过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种模拟辐照缺陷与晶界协同演化的方法，该方法同时将晶界运动事件纳入到OKMC模拟缺陷演化框架中，以考察晶界运动或相变参与的缺陷-晶界多尺度相互作用，尤其是缺陷团簇与晶界的交互作用。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
基于杂化LKMC和OKMC模拟纳米结构核材料辐照损伤的方法，包括以下步骤
S1、建立OKMC区域事件速率表格，从缺陷信息数据库中加载块体区域空位、自间隙及其团簇扩散、聚集、复合能垒，以及缺陷对象作用半径数据，根据缺陷类型和其发生的相关事件过程，计算指定温度下对应的原子过程速率；
S2、给定LKMC界面，并确定LKMC区域半径；
S3、建立LKMC格点与缺陷态之间的映射；
S4、建立LKMC区域不同缺陷态之间跃迁速率表格；
S5、扩大计算模型内速率表格；
S6、建立OKMC与LKMC过渡区域速率表格并进行速率处理；
S7、建立LKMC区域缺陷团簇事件速率表格并进行速率处理；
S8、对于OKMC与LKMC内不同区域的事件，调用相应的速率，选择、执行事件。
进一步改进在于，步骤S1中，根据模拟体系的差异，设置缺陷运动方式以及计算几何模型相关的基本参数。
进一步改进在于，步骤S2的具体操作为：对步骤S1的OKMC区域事件速率表格进行统计，根据统计结果(如原子势能或缺陷形成能)，逐步扩大计算区域半径，直至找到晶界影响的区域与块体区域边界。
进一步改进在于，步骤S3中所述的映射若为空位，则LKMC中的晶格拓扑图形与晶界实际的原子晶格相同，相应原子号即为LKMC中晶格号；若为自间隙原子，则其LKMC晶格
Figure BDA0001510469540000033
与原子晶格
Figure BDA0001510469540000034
存在平移关系。
进一步改进在于，所述平移关系为
Figure BDA0001510469540000032
其中，
Figure BDA0001510469540000031
为沿着自间隙原子取向的单位向量。
进一步改进在于，步骤S3中映射若为自间隙原子，则在映射前进行弛豫后自间隙态之间距离运算。
进一步改进在于，步骤S4具体为：对于给定的LKMC界面，计算与其处于介于第一近邻和第二近邻之间的所有原子格点，采用NEB方法计算空位、间隙原子在LKMC晶格上所有态之间转变的能垒，转变成相应的速率。
进一步改进在于，步骤S6中对于处于OKMC和LKMC过渡区域的缺陷，对于向外远离LKMC区域的速率采用块体中相应速率表格中的速率，对于向内靠近LKMC区域的速率采用LKMC区域中的跃迁速率。
进一步改进在于，步骤S7中对于小型缺陷团簇的独立扩散过程，其扩散能垒和相应速率设置为静态计算值，其扩散方式设置为点缺陷的运动方式，LKMC晶格映射方式同点缺陷。
本发明的有益效果是：
本发明通过杂化LKMC和OKMC方法，对晶界不同区域采用对缺陷性质具有不同分辨率的计算方法，能够实现复杂界面结构处缺陷行为准确模拟。同时对远离界面的区域缺陷行为进行粗粒化建模，能够实现纳米结构核材料中辐照缺陷演化的跨时间、空间尺度模拟。同现有的模拟方法相比，兼顾了模拟精度和模拟的时间、空间尺度，降低了粗粒化建模缺陷-晶界作用时提取作用参数的难度。
本发明既能处理一般简单界面附近缺陷在长时间尺度演化行为，又能建模复杂界面结构处缺陷行为。本发明尤其适用于模拟纳米结构材料复杂晶界处辐照损伤微结构演化过程。
附图说明
图1为本发明提出方法的流程图；
图2为本发明使用的不同计算区域格点与事件示意图；
图3为本发明算法流程图；
图4为采用本发明方法模拟的室温下铁的某个晶界附近空位扩散行为。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
结合图1和图2，本发明提出的一种基于杂化LKMC和OKMC方法模拟纳米结构核材料辐照损伤的新方法，包括以下步骤：
S1：建立OKMC区域事件速率表格。本步骤中，从缺陷信息数据库中加载块体区域空位、自间隙及其团簇扩散、聚集、复合能垒，以及缺陷对象作用半径数据。根据缺陷类型和其发生的相关事件过程，计算某一温度下对应的原子过程速率。本步骤中，根据模拟体系的差异，设置缺陷运动方式，如钨中自间隙及其团簇设置为一维运动，小团簇设置为可旋转。而铁的自间隙及其小团簇设置为三维运动，铁的大型自间隙原子团簇设置为一维运动。此外还需要设置计算几何模型相关的基本参数，如模型尺寸。
S2：对于给定的界面，确定LKMC区域半径。本步骤中，根据计算结果如原子势能或缺陷形成能逐步扩大计算区域半径，直至找到晶界影响的区域与块体区域边界。该区域半径通常在1-1.5纳米之间，与晶界结构和缺陷类型有关。而且对于自间隙原子而言，该区域半径往往大于空位的。
S3：建立LKMC格点与缺陷态之间的映射。对于空位，LKMC中的晶格拓扑图形与晶界实际的原子晶格相同，相应原子号即为LKMC中晶格号。对于自间隙原子，其LKMC晶格
Figure BDA0001510469540000051
与原子晶格
Figure BDA0001510469540000052
存在平移关系(
Figure BDA0001510469540000053
为沿着自间隙原子取向的单位向量)。而且在晶界附近结构弛豫以后自间隙原子通常会凝聚到同一个态上，通过判断弛豫后自间隙态之间距离，避免相同态跃迁。
S4：建立LKMC区域不同缺陷态之间跃迁速率表格。此步骤中，对于给定的界面，计算与其处于介于第一近邻和第二近邻之间的所有原子格点。采用NEB方法计算空位、间隙原子在LKMC晶格上所有态之间转变的能垒，即界面附近区域沿着所有跃迁路径的向前、向后跃迁能垒。进而转变成相应的速率。
S5：较小计算模型内速率表格转为为大计算模型速率表格。当计算模型较大时，LKMC区域跃迁数目较多，计算速率较为耗时。此时据小体系中的速率表格拓展为大体系的速率表格。当态i与态i1、态j与态j1的距离相差模型最小周期长度整数倍时，态i1到态j1的转变速率与从态i到j的转变速率相等。
S6：OKMC与LKMC过渡区域速率表格处理方法。对于处于OKMC和LKMC过渡区域的缺陷，其向外远离LKMC区域的速率采用块体中相应速率表格中的速率，对于向内靠近LKMC区域的速率采用LKMC区域中的跃迁速率。
S7：LKMC区域缺陷团簇事件速率处理方法。对于小型缺陷团簇的独立扩散过程，其扩散能垒和相应速率设置为静态计算值，其扩散方式设置为点缺陷的运动方式，LKMC晶格映射方式同点缺陷。
S8：对于不同区域的事件，调用相应的速率，选择、执行事件。
参照图3，本发明算法流程如下：
(1)初始化模型参数，包括模型尺寸，LKMC区域尺寸，LKMC区域原子数，体系中缺陷类型及缺陷数。设置模型边界条件，如周期性边界，自由边界条件等。设置模拟体系温度。设置OKMC区域空位、自间隙的运动向量。读入LKMC区域原子构型文件。设置原子和空位标签。对于自间隙原子，设置自间隙原子态是否占据标签。
(2)读入OKMC模拟区域点缺陷及其团簇扩散、复合、溶解能垒数据，以及作用范围数据。计算相应速率。
(3)读入LKMC区域缺陷运动速率表格。
(4)给定体系构型文件，计算当前缺陷缺陷体系跃迁速率。根据缺陷所在位置，调用不同的速率。
(5)采用轮盘赌的方式筛选要执行的事件。
(6)执行选择的事件。对于处在OKMC区域的缺陷，按照此区域内的运动向量移动空位或自间隙。对于属于LKMC区域的空位，交换其与跃迁格点的原子和空位标签即可。对于处于此区域的自间隙原子，修改跃迁末态的自间隙原子标签。
(7)输出跃迁时间，当前体系构型等量。
(8)判断体系演化时间或运行步数是否超过最大设定值，是则退出，否则继续进行上述步骤(4)。
如图4所示，给出了采用本发明方法模拟的室温下铁的某个晶界附近空位扩散行为。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.基于杂化LKMC和OKMC模拟纳米结构核材料辐照损伤的方法，其特征在于：包括以下步骤
S1、建立OKMC区域事件速率表格：从缺陷信息数据库中加载块体区域空位、自间隙及其团簇扩散、聚集、复合能垒，以及缺陷对象作用半径数据，根据缺陷类型和其发生的相关事件过程，计算指定温度下对应的原子过程速率，根据模拟体系的差异，设置缺陷运动方式以及计算几何模型相关的基本参数；
S2、给定LKMC界面，并确定LKMC区域半径：对步骤S1的OKMC区域事件速率表格进行统计，根据统计结果，逐步扩大计算区域半径，直至找到晶界影响的区域与块体区域边界；
S3、建立LKMC格点与缺陷态之间的映射：对于空位，LKMC中的晶格拓扑图形与晶界实际的原子晶格相同，相应原子号即为LKMC中晶格号，对于自间隙原子，其LKMC晶格
Figure FDA0002761679460000011
与原子晶格
Figure FDA0002761679460000012
存在平移关系
Figure FDA0002761679460000013
Figure FDA0002761679460000014
为沿着自间隙原子取向的单位向量，而且在晶界附近结构弛豫以后自间隙原子会凝聚到同一个态上，通过判断弛豫后自间隙态之间距离，避免相同态跃迁；
S4、建立LKMC区域不同缺陷态之间跃迁速率表格，对于给定的界面，计算与其处于介于第一近邻和第二近邻之间的所有原子格点，采用NEB方法计算空位、间隙原子在LKMC晶格上所有态之间转变的能垒，即界面附近区域沿着所有跃迁路径的向前、向后跃迁能垒，进而转变成相应的速率；
S5、扩大计算模型内速率表格：据小体系中的速率表格拓展为大体系的速率表格，当态i与态i1、态j与态j1的距离相差模型最小周期长度整数倍时，态i1到态j1的转变速率与从态i到j的转变速率相等；
S6、建立OKMC与LKMC过渡区域速率表格并进行速率处理：对于处于OKMC和LKMC过渡区域的缺陷，对于向外远离LKMC区域的速率采用块体中相应速率表格中的速率，对于向内靠近LKMC区域的速率采用LKMC区域中的跃迁速率；
S7、建立LKMC区域缺陷团簇事件速率表格并进行速率处理：对于小型缺陷团簇的独立扩散过程，其扩散能垒和相应速率设置为静态计算值，其扩散方式设置为点缺陷的运动方式，LKMC晶格映射方式同点缺陷；
S8、对于OKMC与LKMC内不同区域的事件，调用相应的速率，选择、执行事件。
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