CN109977483A - 基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及晶体取向相关性技术领域，提出一种基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法。通过欧拉角转换公式建立镍基单晶合金两相分子动力学随机取向模型；选取能够准确描述镍基单晶合金内部元素相互作用的势函数；设置随机取向模型的边界条件以及恒定温度下的计算参数；根据随机取向模型、势函数、边界条件和计算参数得到计算模型；进行应变率加载并通过分子动力学计算出计算模型的应力应变参数，并得到计算模型的微观组织演化；根据模型的微观组织演化以及应力应变参数分析得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变。减少了实验次数，可以节省大量试验成本以及时间，还可以为材料科学中力学性能的设计提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及镍基单晶合金晶体取向相关性技术领域，基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法。
背景技术
各向异性是镍基单晶合金金属材料的本征特性。通常镍基单晶合金高温合金的拉伸、持久、蠕变、疲劳等力学行为均表现出明显的各向异性和晶体取向敏感性(表现为晶体取向有一点变化，性能的急剧变化)。在相同温度及应力水平下，不同晶体取向的蠕变持久寿命可以相差数倍甚至数百倍。镍基单晶合金表现出的晶体各向异性和晶体取向敏感性，是与材料细观结构及其演化特点密不可分的。
目前，针对晶体取向相关性的研究主要集中在试验观测以及基于大量试验数据总结得到的唯象有限元理论模型，这一过程需要耗费大量的人力物力以及试验资源等。
因此有必要提出一种新的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法。
所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的需要耗费大量的人力物力和试验资源的不足，提供一种可以节省大量试验成本以及时间的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一个方面，一种基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，包括：
通过欧拉角转换公式建立镍基单晶合金两相分子动力学随机取向模型；
选取能够准确描述镍基单晶合金内部元素相互作用的势函数；
设置所述随机取向模型的边界条件以及恒定温度下的计算参数；
根据所述势函数、所述边界条件以及所述计算参数得到计算模型；
对所述计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出所述计算模型的应力应变参数，并得到所述计算模型的微观组织演化；
根据所述计算模型的微观组织演化以及所述应力应变参数分析得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述计算模型的微观组织演化以及所述应力应变参数分析得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变，包括：
根据所述应力应变参数拟合所述随机取向模型的应力应变曲线，并确定所述应力应变曲线的塑性屈服点。
在本公开的一种示例性实施例中，所述应力应变曲线包括屈服前曲线和屈服后曲线，所述塑性屈服点位于所述屈服前曲线和所述屈服后曲线的交界处。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述计算模型的微观组织演化以及所述应力应变参数分析得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变，还包括：
基于所述微观组织演化以及所述应力应变曲线，选取所述屈服前曲线得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变。
在本公开的一种示例性实施例中，所述边界条件为周期性边界条件。
在本公开的一种示例性实施例中，所述恒定温度为0.01K，所述计算参数包括以1飞秒的时间步长弛豫40皮秒。
在本公开的一种示例性实施例中，对所述计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出所述随机取向模型的应力应变参数，并得到所述计算模型的微观组织演化，包括：
采用NVT系综对所述计算模型在目标温度处弛豫50皮秒；
为所述计算模型设置随机的初始速度，采用固定应变率进行加载。
在本公开的一种示例性实施例中，对所述计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出所述随机取向模型的应力应变参数，并得到所述计算模型的微观组织演化，包括：
设置每1000步输出不同时间的所述计算模型的构型；
在输出所述计算模型的构型的同时，输出每一个时间步的应变、各个应力分量和范式等效应力。
在本公开的一种示例性实施例中，对所述计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出所述随机取向模型的应力应变参数，并得到所述计算模型的微观组织演化，包括：
采用可视化软件分析不同时间的所述计算模型的构型，结合位错分离算法分析初始的位错形核以及不同类型位错的演化趋势进而得到所述随机取向模型的微观组织演化。
在本公开的一种示例性实施例中，根据随机取向模型、所述势函数、所述边界条件以及所述计算参数得到计算模型，包括：
通过atomsk建立镍基单晶合金两相模型。
由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：
本发明基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，建立镍基单晶合金两相分子动力学随机取向模型，选取能够准确描述镍基单晶合金内部元素相互作用的势函数边界条件以及恒定温度下的计算参数来得到计算模型，并对计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出随机取向模型的应力应变参数，并得到计算模型的微观组织演化；根据计算模型的微观组织演化以及应力应变参数分析得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变。相较于现有技术，通过分子动力学将镍基单晶合金的力学性能与晶体取向相关联，确定镍基单晶合金晶体取向对力学性能的作用效果，一方面，减少了试验次数，可以节省大量试验成本以及时间，另一方面，还可以为材料科学中力学性能的设计提供理论依据。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是本发明基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法的流程图；
图2是建立计算模型的流程图；
图3是随机取向模型的结构示意图；
图4是进行应变率加载的流程图；
图5是应力应变曲线示意图。
图中主要元件附图标记说明如下：
1、第一基体相；2、强化相。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
晶体取向相关性对镍基单晶合金材料强度评估提出了巨大挑战，目前镍基单晶合金晶体取向相关性仍然是工程应用中的主要问题，吸引着国内外众多研究机构的注意力。
本发明首先提供一种一种基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，参照图1所示，该方法包括以下步骤：
S110，通过欧拉角转换公式建立镍基单晶合金两相分子动力学随机取向模型。
S120，选取能够准确描述镍基单晶合金内部元素相互作用的势函数。
S130，设置所述随机取向模型的边界条件以及恒定温度下的计算参数。
S140，根据所述随机取向模型、所述势函数、所述边界条件以及所述计算参数得到计算模型。
S150，对所述计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出所述计算模型的应力应变参数，并得到所述计算模型的微观组织演化。
S160，根据所述计算模型的微观组织演化以及所述应力应变参数分析得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变。
通过分子动力学将镍基单晶合金的力学性能与晶体取向相关联，确定镍基单晶合金晶体取向对力学性能的作用效果，一方面，减少了实验次数，可以节省大量试验成本以及时间，另一方面，还可以为材料科学中力学性能的设计提供理论依据。
以下通过示例实施方式对上述步骤进行详细说明。
在步骤S110中，通过欧拉角转换公式建立镍基单晶合金两相分子动力学随机取向模型。
在本示例实施方式中，参照图2所示，通过欧拉角转换公式将随机取向的欧拉角转换为模型的三维基准坐标的方向矢量，并确定这三个基准矢量两两正交。例如以X轴为准，[100]取向三个基准方向矢量为X-[100]，Y-[010]，Z-[001]；[110]取向三个基准方向矢量为X-[110]，Y-[-110]，Z-[001]；[111]取向三个基准方向矢量为X-[111]，Y-[11-2]，Z-[-110]。
参照图3所示，采用atomsk建立镍基单晶合金两相模型，首先建立80a0×80a0×80a0的立方体第一基体相1，再建立66a1×66a1×66a1尺寸大小的强化相2替换第一基体相1中67a0×67a0×67a0的第二基体相。其中a0和a1分别为基体相和强化相的晶格常数。
能够建立符合实际情况的随机取向模型，从而降低理论与实际情况之间的误差，更快捷的建立镍基单晶合金模型，并能确保模型之间的连续性。提高了计算的准确性。
在步骤S120中，选取能够准确描述镍基单晶合金内部元素相互作用的势函数。
在本示例实施方式中，对现有的势函数进行对比分析，结合计算模型的实际情况来选取能够准确描述镍基单晶合金内部元素相互作用的势函数，采用的势函数可以精确的描述Ni-Ni、Ni-Al等镍基单晶合金之间的相互作用。
在步骤S130中，设置所述随机取向模型的边界条件以及恒定温度下的计算参数。
在本示例实施方式中，考虑到镍基单晶合金中强化相均匀分布在第一基体相1中，所以设置镍基单晶合金两相模型的边界条件为周期性边界条件，单位设置采用金属类型，计算模型中的原子类型设置为atomic。
在步骤S140中，根据所述随机取向模型、所述势函数、所述边界条件以及所述计算参数得到计算模型。
在本示例实施方式中，进行能量最小化计算分析，采用NVT系综在温度0.01K下以1飞秒的时间步长弛豫0皮秒，弛豫中的控温方法采用Nose-Hoover方法，将温度控制在0.01K，保证模型在计算过程中不受温度的影响。进而得到能量最小化模型，也就是加载设置之前的计算模型。
上述步骤可以大量减少计算机的工作量，提高计算效率，可以以较快的速度得到计算模型。
在步骤S150中，对所述计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出所述计算模型的应力应变参数，并得到所述计算模型的微观组织演化。
在本示例实施方式中，参照图4所示，采用NVT系综对初始模型在目标温度处弛豫50皮秒，目标温度可以根据实验所需设定，此处不做限定，在模型内部随机选取，为计算模型设置随机的初始速度。设置计算模型底部镍基单晶合金原子固定镍基单晶合金，位置保持不变，上端镍基单晶合金采用固定应变率进行加载，镍基单晶合金模型原子的位置以及速度更新通过verlet算法实现，1fs的时间步长可以确保verlet算法精确进行。
计算过程中，设置每1000步输出不同时间模型的镍基单晶合金构型，输出文件包括镍基单晶合金模型类型，镍基单晶合金模型坐标，镍基单晶合金模型能量，镍基单晶合金模型的应力张量，中心对称参数等。在输出镍基单晶合金模型构型的同时，输出每一个时间步的应变，各个应力分量，Mises(范式)等效应力等。
采用可视化软件分析不同时间的镍基单晶合金模型构型，结合位错分离算法分析初始的位错形核以及不同类型位错的演化趋势。
在步骤S160中，根据所述计算模型的微观组织演化以及所述应力应变参数分析得到镍基单晶合金模型的弹性模量、屈服应力以及屈服应变。
在本示例实施方式中，参照图5所示，根据应力应变参数拟合随机取向模型的应力应变参数，并确定应力应变曲线的塑性屈服点，应力应变曲线包括屈服前曲线和屈服后曲线，塑性屈服点位于所述屈服前曲线和所述屈服后曲线的交界处。
采用不同取向的随机取向模型按照上述步骤进行计算可以得到不同取向的镍基单晶合金模型的力学性能及弹性模量、屈服应力以及屈服应变等，进而通过多组数据总结出镍基单晶合金的晶体取向相关性。
塑性屈服点处的范式等效应力为屈服应力，塑性屈服点处应变为屈服应变，弹性模量为屈服应力与屈服应变的比值。
上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
本说明书中使用“约”“大约”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内。在此给定的数量为大约的数量，意即在没有特定说明的情况下，仍可隐含“约”“大约”“大致”“大概”的含义。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“前”“后”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。
Claims (10)
1.一种基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，其特征在于，包括：
通过欧拉角转换公式建立镍基单晶合金两相分子动力学随机取向模型；
选取能够准确描述镍基单晶合金内部元素相互作用的势函数；
设置所述随机取向模型的边界条件以及恒定温度下的计算参数；
根据随机取向模型、所述势函数、所述边界条件以及所述计算参数得到计算模型；
对所述计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出所述计算模型的应力应变参数，并得到所述计算模型的微观组织演化；
根据所述计算模型的微观组织演化以及所述应力应变参数分析得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变。
2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，其特征在于，根据所述计算模型的微观组织演化以及所述应力应变参数分析得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变，包括：
根据所述应力应变参数拟合所述随机取向模型的应力应变曲线，并确定所述应力应变曲线的塑性屈服点。
3.根据权利要求2所述的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，其特征在于，所述应力应变曲线包括屈服前曲线和屈服后曲线，所述塑性屈服点位于所述屈服前曲线和所述屈服后曲线的交界处。
4.根据权利要求3所述的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，其特征在于，根据所述计算模型的微观组织演化以及所述应力应变参数分析得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变，还包括：
基于所述微观组织演化以及所述应力应变曲线，选取所述屈服前曲线得到镍基单晶合金的弹性模量、屈服应力以及屈服应变。
5.根据权利要求1所述的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，其特征在于，所述边界条件为周期性边界条件。
6.根据权利要求1所述的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，其特征在于，所述恒定温度为0.01K，所述计算参数包括以1飞秒的时间步长弛豫40皮秒。
7.根据权利要求1所述的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，其特征在于，对所述计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出所述随机取向模型的应力应变参数，并得到所述计算模型的微观组织演化，包括：
采用NVT系综对所述计算模型在目标温度处弛豫50皮秒；
为所述计算模型设置随机的初始速度，采用固定应变率进行加载。
8.根据权利要求7所述的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，其特征在于，对所述计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出所述随机取向模型的应力应变参数，并得到所述计算模型的微观组织演化，包括：
设置每1000步输出不同时间的所述计算模型的构型；
在输出所述计算模型的构型的同时，输出每一个时间步的应变、各个应力分量和范式等效应力。
9.根据权利要求7所述的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，其特征在于，对所述计算模型进行应变率加载并通过分子动力学计算出所述随机取向模型的应力应变参数，并得到所述计算模型的微观组织演化，包括：
采用可视化软件分析不同时间的所述计算模型的构型，结合位错分离算法分析初始的位错形核以及不同类型位错的演化趋势进而得到所述随机取向模型的微观组织演化。
10.根据权利要求1所述的基于分子动力学的镍基单晶合金晶体取向相关性确定方法，其特征在于，根据随机取向模型、所述势函数、所述边界条件以及所述计算参数得到计算模型，包括：
通过atomsk建立镍基单晶合金两相模型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190705 |
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