CN109858110A - 基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征，本发明主要是基于分子动力学软件模拟的并在可视化软件中观察。非晶中的流变决定非晶材料的很多性能和特征,现在,对晶体中缺陷的认识已经非常透彻,如位错理论，在非晶态物质中,广泛接受的流变模型、系统完整的流变理论框架仍然没有建立。到目前为止，人们发展了如自由体积理论、剪切转变区模型(STZ)来很好解释非晶的流变，但是这些是从理论上分析总结的，都存在一些缺陷。为了解决上述问题我提出了表征非晶合金中缺陷的办法，为以后的研究工作打下基础。采用这种方法可以简单的表征出非晶合金中的流变单元，从微观上了解缺陷的特征。

Description

基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法

技术领域

本发明属于超精密加工领域，特别涉及一种基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法。

背景技术

超精密加工是20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的一种加工技术。到80年代初，其最高加工尺寸精度已可达10纳米级，其中1纳米＝0.001微米。表面粗糙度达1纳米，加工的最小尺寸达1微米，其正在向纳米级加工尺寸精度的目标前进。纳米级的超精密加工也称为纳米工艺(nano-technology)。

而分子动力学模拟中，模拟系统是由多粒子组成的，到目前为止，出现了各种模型用于解释非晶的流变，例如，自由体积理论、剪切转变区模型(STZ)等。但是上述理论或模型仅是从理论上对非晶的流变进行分析总结，均存在特定缺陷。其中，自由体积理论存在的问题如下：自由体积在实验中无法直接测量；在理论上无法给出明确的定义；与材料的真实结构也很难建立起直接对应；并且自由体积理论对过冷液体以及玻璃态中的动力学行为描述很不完善。剪切转变区模型(STZ)存在的问题如下，所述模型缺失了与结构的关联,很难在微观结构上找到明确对应的区域；且没有考虑单元之间的相互作用。为了解决上述问题及了解微观状态下纳米切削非晶合金中的缺陷变化提出了非晶合金中的缺陷表征办法，采用这个办法可以方便的建立非晶中的缺陷，满足使用要求。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提出一种基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其中非晶合金模型化为弹性的理想非晶和流变单元的组合，也就是说非晶合金包括理想弹性基底和流变单元，采用这种办法可以更加方便的建立非晶中的缺陷模型，非晶合金中那些深色球形区域的原子团簇尺寸为几个纳米量级,相比非晶中其它原子,其具有低的弹性模量和强度、原子排列更加松散、能量高、原子流动性高，这些可以比作为缺陷部分。

本发明的技术方案如下：

一种基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其具体步骤如下：

步骤一：建立非晶合金的分子动力学模型，得到各个原子的voronoi多面体；

步骤二：并将所述分子动力学模型输出至可视化模块；

步骤三：在所述可视化模块中对所述分子动力学模型进行原子分子并行模拟，并进行与分析；挑选所需要的原子，并进行着色处理，进行缺陷表征。

优选地，voronoi多面体是指中心原子和其近邻原子连线的垂直平分面所围成的最小封闭凸多面体。

优选地，步骤一中还包括计算各个原子的位置坐标，对应地步骤二中，所述各个原子的位置坐标一并输入至可视化模块进行显示。

优选地，其中步骤三的具体步骤如下：

S1：计算得到各个原子的voronoi多面体的面数；

S2：在可视化模块中统计获取voronoi多面体的指数；

S3：基于所得到的各个voronoi多边形的面数和voronoi多面体的指数，根据原子挑选公式对各个原子进行挑选；

其中，所述原子挑选公式如下所示：

f_i ^k＝n_i ^k/∑n_i ^k

k＝3,4,5,6

这里i代表原子,n_i ^k(k＝3,4,5,6)表示所分析的原子i的多面体中k边形面的个数；f_i ^k代表每个原子对应的每个面的含量，当k为5时，代表五边形的含量；

确定各个原子的voronoi多面体各个面中五边形的面所占的百分比；

S4：当100％＞五边形的含量＞60％时，确定该原子为应该被挑选的原子；

S5：将所挑选的原子进行配色，与其他原子进行区分；

S6：将进行过配色后的所挑选的原子团簇设置为流变单元，得到缺陷，所述其他原子为理想弹性基底。

优选地，Voronoi多面体可以采用其含有的三边形、四边形、五边形和六边形面的个数来表征；本发明中五边形的面看作代表着五次对称,而其他面则定义为具有部分晶体对称；对于每一种多面体,其中五边形面的含量可以用来表征该原子短程序中的五次对称性。

优选地，所述voronoi多面体的指数表示如下：

Voronoi指数(a，b，c，d)，

其中a是voronoi多面体中三边形的含量，b是voronoi多面体中四边形的含量、c是voronoi多面体中五边形的含量、d是voronoi多面体中六边形的含量。

优选地，所述voronoi多面体中五边形的面所占的百分比为n_i ⁵除以总的面数和。

优选地，所述缺陷是指非晶合金中存在的在空间结构和动力学都异于基体的的微观区域。所述缺陷是由纳米尺度的原子团簇构成。

优选地，所述缺陷对应于原子排布较为疏松或原子间结合较弱的区域。

优选地，所述缺陷在非晶合金中体现为深色区域。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明利用分子动力学仿真方法仿真出非晶中的缺陷。本发明中的缺陷是指非晶合金中存在的在空间结构和动力学都异于基体的的微观区域。对于晶体而言，其内部是均匀的，晶体的缺陷是晶界、位错，因为是在有序中寻找无序，所以晶体的缺陷容易观察。非晶内部是不均匀的，在非均匀体中寻找更为活跃的缺陷极其困难，本发明中的所述缺陷是由纳米尺度的原子团簇构成；相比非晶态结构，例如，非晶合金中的其他区域,具有较低的模量和强度、较低的黏滞系数和较高的能量及原子流动性。进一步，所述缺陷对应于原子排布较为疏松或原子间结合较弱的区域。优选地，本发明中的缺陷在非晶合金中体现为深色区域。

非晶合金，例如，金属玻璃，有众多优良特性，但是任何一种材料都必不可少的存在缺陷，实验技术上,现代微观结构分析手段主要依赖于同步辐射﹑电子显微镜、中子散射等对非晶结构的分析能力非常有限,很难同时实现高时间(ps)和空间(1–2埃区域)分辨。尽管现有的超快X射线衍射及自由电子激光技术能够提供足够的时间分辨,但是来自于长程无序的平均结构信息很难反映出非协同的、局部的原子动力学的行为。电子显微镜技术提供了相当高的空间分辨来探测局域原子结构,但却不具备足够高的时间分辨以捕获局域结构动力学特征，鉴于以上局限性，提出了借助分子动力学模型进行原子的表征缺陷，这样可以突破局限性，直观的进行观察。

2、表达形式简单。目前对于非晶合金，例如，金属玻璃的结构提出了多种模型，同时还通过实验和计算机模拟手段对金属玻璃的结构进行了研究，然而对金属玻璃结构的认识目前尚不是很清楚，近年来又有学者提出用密度间接表达缺陷，这也需要很大的工作量，为了能够更快的建模，提出用voronoi多边形中五边形的含量来间接表达缺陷。

3、技术相对成熟。现有技术中基于分子动力学模拟的软件相对于比较成熟，例如，lammps是用于原子分子模拟的软件，其为大规模原子分子并行模拟器，主要用于分子动力学相关的一些计算和模拟工作；可视化模块也相对成熟，例如，ovito可以对分子动力学结果进行显示与分析，它的设计思路是“修正通道”，从导入的数据出发，经过一个个的“修正”，最终成为想要的显示。

附图说明

图1是根据本发明的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法中非晶合金中缺陷位置的表征示意图；

图2是基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法的流程图。以及

图3是切削非晶合金和单晶铜切削力的对比图。

具体实施方式

根据本发明的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其将非晶合金模型化为弹性的理想非晶和流变单元的组合，即，非晶合金包括理想弹性基底和流变单元，通过建立非晶合金中的缺陷模型，将在非晶合金中的深色球形区域比作缺陷部分，深色球形区域的原子团簇尺寸在几个纳米量级,其相比非晶合金中的其它原子具有低的弹性模量和强度，并且原子排列更加松散、能量高、原子流动性高。本发明中非晶合金中的缺陷表征方法基于分子动力学进行，并且能够进行可视化观察。

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体的实施例作进一步说明：

具体地，根据本发明的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其具体步骤如下：

步骤一：建立非晶合金的分子动力学模型，得到各个原子的voronoi多面体；

优选地voronoi多面体是指中心原子和其近邻原子连线的垂直平分面所围成的最小封闭凸多面体。

优选地，同时计算各个原子的位置坐标。

步骤二：并将分子动力学模型输出至可视化模块；

优选地，各个原子的位置坐标一并输入至可视化模块进行显示。

步骤三：在可视化模块中对分子动力学模型进行原子分子并行模拟，并进行与分析，其具体步骤如下：

S1：计算得到各个原子的voronoi多面体的面数；在可视化模块中统计获取voronoi多面体的指数；统计出每个原子voronoi多面体中每种面的数量进而求出五边形的含量；优选地，Voronoi多面体可以采用其含有的三边形、四边形、五边形和六边形面的个数来表征；本发明中五边形的面看作代表着五次对称,而其他面则定义为具有部分晶体对称；对于每一种多面体,其中五边形面的含量可以用来表征该原子短程序中的五次对称性。

优选地，voronoi多面体的指数表示如下：

Voronoi指数(a，b，c，d)，

其中a是voronoi多面体中三边形的含量，b是voronoi多面体中四边形的含量、c是voronoi多面体中五边形的含量、d是voronoi多面体中六边形的含量。

S2：基于所得到的各个voronoi多边形的面数和voronoi多面体的指数，根据原子挑选公式对各个原子进行挑选；

其中，原子挑选公式如下所示：

f_i ^k＝n_i ^k/∑n_i ^k

k＝3,4,5,6

这里i代表原子,n_i ^k(k＝3,4,5,6)表示所分析的原子i的多面体中k边形面的个数；等式左边f_i ^k代表各种面的含量，当k等于5时即代表五边形的含量；

S3：确定各个原子的voronoi多面体各个面中五边形的面所占的百分比；

优选地，voronoi多面体中五边形的面所占的百分比为n_i ⁵除以总的面数和。

S4：当100％＞五边形的含量＞60％时，确定该原子为应该被挑选的原子；

S5：将所挑选的原子进行配色，与其他原子进行区分；

S9：将进行过配色后的所挑选的原子团簇设置为流变单元，得到缺陷，其他原子为理想弹性基底。

优选地，得到缺陷的同时，输出改原子团簇中各原子对应的位置坐标。

优选地，本发明中的缺陷是指非晶合金中存在的在空间结构和动力学都异于基体的的微观区域,对于晶体而言，其内部是均匀的，晶体的缺陷是晶界、位错，因为是在有序中寻找无序，所以晶体的缺陷容易观察。非晶内部是不均匀的，在非均匀体中寻找更为活跃的缺陷极其困难，本发明中的这些缺陷是由纳米尺度的原子团簇构成；相比非晶态结构，例如，非晶合金中的其他区域,具有较低的模量和强度、较低的黏滞系数和较高的能量及原子流动性,。

进一步，缺陷对应于原子排布较为疏松或原子间结合较弱的区域。

优选地，本发明中的缺陷在非晶合金中体现为深色区域，深色球形区域的原子团簇尺寸在几个纳米量级,相比非晶中其它原子,它们具有低的弹性模量和强度、原子排列更加松散、能量高、原子流动性高。

本发明利用分子动力学仿真方法仿真出非晶中的缺陷。

并以金属玻璃为例，进行试验验证，给出验证结果。

S1：动态循环拉伸试验表明，在纯弹性阶段加载，当临界塑性变形时卸载，卸载完毕后重新加载，这时可以发现加载曲线的开始点并没有与第一次加载点重合，而是向后移动了一段，这也证明了流变单元存在。

S2：如图3所示，对非晶合金和单晶铜在相同条件下进行切削加工，切削速度为200m/s，切深定为2nm。绘制切削力曲线，对比发现切削非晶合金时切削力波动剧烈，因为是在相同条件下进行的，可以排除其他因素的影响，只能是材料内部的原因，也就是流变单元在起作用。

金属玻璃有众多优良特性，但是任何一种材料都必不可少的存在缺陷，实验技术上,现代微观结构分析手段主要依赖于同步辐射﹑电子显微镜、中子散射等对非晶结构的分析能力非常有限,很难同时实现高时间(ps)和空间(1–2埃区域)分辨.尽管现有的超快X射线衍射及自由电子激光技术能够提供足够的时间分辨,但是来自于长程无序的平均结构信息很难反映出非协同的、局部的原子动力学的行为.电子显微镜技术提供了相当高的空间分辨来探测局域原子结构,但却不具备足够高的时间分辨以捕获局域结构动力学特征，鉴于以上局限性，提出了借助计算机用分子动力学软件表征缺陷，这样可以突破局限性，直观的进行观察。

目前对于金属玻璃的结构提出了多种模型，同时还通过实验和计算机模拟手段对金属玻璃的结构进行了研究，然而对金属玻璃结构的认识目前尚不是很清楚，近年来又有学者提出用密度间接表达缺陷，这也需要很大的工作量，为了能够更快的建模，提出用voronoi多边形中五边形的含量来间接表达缺陷。

本发明中在建模和分析的过程中采用了修正通道的方法，从导入的数据出发，经过一个个的“修正”，最终成为想要的显示。

最后应说明的是：以上所述实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其特征在于，其具体步骤如下：

步骤一：建立非晶合金的分子动力学模型，得到各个原子的voronoi多面体；

步骤二：并将所述分子动力学模型输出至可视化模块；

步骤三：在所述可视化模块中对所述分子动力学模型进行原子分子并行模拟，并进行与分析，挑选所需要的原子，并进行着色处理，进行缺陷表征：

S1：计算得到各个原子的voronoi多面体的面数；

S2：在可视化模块中统计获取voronoi多面体的指数；

S3：基于所得到的各个voronoi多边形的面数和voronoi多面体的指数，根据原子挑选公式对各个原子进行挑选；

其中，所述原子挑选公式如下所示：

f_i ^k＝n_i ^k/∑n_i ^k

k＝3,4,5,6

这里i代表原子,n_i ^k(k＝3,4,5,6)表示所分析的原子i的多面体中k边形面的个数；f_i ^k代表各种面的含量，当k等于5时即代表五边形的含量；

确定各个原子的voronoi多面体各个面中五边形的面所占的百分比；

S4：100％＞当五边形的含量＞60％时，确定该原子为应该被挑选的原子；

S5：将所挑选的原子进行配色，与其他原子进行区分；

S6：将进行过配色后的所挑选的原子团簇设置为流变单元，得到缺陷，所述其他原子为理想弹性基底。

2.如权利要求1所述的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其特征在于，voronoi多面体是指中心原子和其近邻原子连线的垂直平分面所围成的最小封闭凸多面体。

3.如权利要求2所述的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其特征在于，步骤一中还包括计算各个原子的位置坐标，对应地步骤二中，所述各个原子的位置坐标一并输入至可视化模块进行显示。

4.如权利要求3所述的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其特征在于，Voronoi多面体可以采用其含有的三边形、四边形、五边形和六边形面的个数来表征；本发明中五边形的面看作代表着五次对称,而其他面则定义为具有部分晶体对称；对于每一种多面体,其中五边形面的含量可以用来表征该原子短程序中的五次对称性。

5.如权利要求4所述的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其特征在于，所述voronoi多面体的指数表示如下：

Voronoi指数(a，b，c，d)，

其中a是voronoi多面体中三边形的含量，b是voronoi多面体中四边形的含量、c是voronoi多面体中五边形的含量、d是voronoi多面体中六边形的含量。

6.如权利要求5所述的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其特征在于，所述voronoi多面体中五边形的面所占的百分比为n_i ⁵除以总的面数和。

7.如权利要求6所述的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其特征在于，所述缺陷是指非晶合金中存在的在空间结构和动力学都异于基体的的微观区域，所述缺陷是由纳米尺度的原子团簇构成。

8.如权利要求7所述的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其特征在于，所述缺陷对应于原子排布较为疏松或原子间结合较弱的区域。

9.如权利要求8所述的基于分子动力学仿真的非晶合金中的缺陷表征方法，其特征在于，所述缺陷在非晶合金中体现为深色区域。