CN112992280B - 一种Ti-Al-V三元合金分子动力学α+β双相几何模型构建及势函数拟合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料分子动力学领域，涉及三元合金双相材料分子动力学建模及势函数拟合方法，具体公开了一种Ti‑Al‑V三元合金分子动力学α+β双相几何模型构建及势函数拟合方法。首先，根据α+β双相钛合金高温X‑ray衍射试验将常温下的Ti‑Al‑V三元合金分为Ti‑Al为主的α相和Ti‑V为主的β相，并采用Voronoi细分法构建α和β相的多晶模型；合并α相和β相多晶模型，构建Ti‑Al‑V三元合金α+β多相多晶模型；基于所构建的多相多晶模型采用二元合金2NN‑MEAM势函数拟合原子间相互作用关系，表征Ti‑Al‑V三元合金体系原子相互作用势。
Description
技术领域
本发明属于材料分子动力学领域，涉及三元合金双相材料分子动力学建模及势函数拟合方法，具体公开了一种Ti-Al-V三元合金分子动力学α+β双相几何模型构建及势函数拟合方法。
背景技术
分子动力学是一门结合物理、数学和化学的综合技术。主要依靠粒子间相互作用立场和牛顿运动定律来模拟分子体系的运动，是以统计物理学为桥梁，通过研究物质微观性质把握宏观性能。其势函数和模型结构对模拟的准确性具有很大的影响。
对于Ti-Al-V类的三元合金相，目前主要采取的建模方法是建立Ti原子晶胞模型，然后以一定数量的Al和V原子随机替代晶胞中的部分Ti原子。所建的模型虽然能反映Ti、Al、V各原子成分比，但是无法实现Ti-Al基材料HCP结构和BCC结构并存的材料特性。此外，根据α+β双相钛合金高温X-ray衍射试验可知，在α相中主要为Ti和Al元素，V元素主要集中在β相中，且沿着α相边界分布，当高温(约995℃)时，V原子才能扩散进入α相，而通过原子随机替代的方式无法控制原子分布。因此，基于Al和V元素在不同相分布规律构建α相和β相并存的Ti-Al-V三元合金模型对提高仿真准确性十分必要。
针对Ti-Al-V三元合金体系势函数的开发，目前主要采用多体势拟合。分布对Ti-Al元素采用嵌入原子势EAM，Ti-V之间采用Ti-Ni-V三元合金改进型嵌入原子势，Al-V间采用Morse势。该拟合方式构成的Ti-Al-V三元合金势函数能够较为准确的分析高温辐照效应研究及热力学作用下相变行为，但是对金属材料微观缺陷及受力学作用下的应力应变特性、多相多晶结构相互作用等方面的研究则存在着明显的误差。因此开发能够准确描述Ti-Al-V三元合金受载荷作用下相互作用关系的势函数对研究材料的力学性能及微观机理十分重要。
发明内容
针对上述关于Ti-Al-V三元合金体系建模及势函数拟合方法存在的不足，本发明提供一种新的Ti-Al-V三元合金分子动力学α+β双相几何模型构建及势函数拟合方法。本发明根据α+β双相钛合金高温X-ray衍射试验中α相、β相中的元素分布规律，构建了一种α+β双相钛合金几何模型，并根据建模思路确定Ti-Al-V三元合金体系势函数拟合方法。
本发明提供的模型构建及势函数拟合方法具体包括以下步骤：
1)根据试验确定Ti-Al-V三元合金中α相和β相各自的成分构成，并采用Voronoi细分法构建α和β相的多晶模型；本发明根据α+β双相钛合金高温X-ray衍射试验将常温下的Ti-Al-V三元合金分为Ti-Al为主的α相和Ti-V为主的β相。
2)合并α相和β相，构建Ti-Al-V三元合金α+β多相多晶模型；
3)采用二元合金2NN-MEAM势函数拟合原子间相互作用关系，表征Ti-Al-V三元合金体系原子相互作用势。
在步骤1)中，α+β双相钛合金高温X-ray衍射试验结果显示：在α相中主要为Ti和Al元素，V元素主要集中在β相中，且沿着α相边界分布，当高温(约995℃)时，V原子才能扩散进入α相。因此，将常温下Ti-Al-V三元合金分模型拆分为以Ti-Al为主要成分的α相(HCP结构)和Ti-V为主要成分的β相(BCC结构)。
在步骤1)中，采用Voronoi细分法，以相同节点设置方式分别构建HCP-Ti和BCC-Ti多晶模型；计算所构建晶胞模型原子总数，并根据Ti、Al、V元素各自成分占比确定所构建模型中Al和V原子数量分别为为n1和n2；随机选取HCP-Ti晶胞中n1个Ti原子替换为Al原子，BCC-Ti晶胞中的n2个Ti原子替换为V原子，以获得HCP-TiAl和BCC-TiV多晶模型。
在步骤2)中，选取Voronoi部分节点，删除HCP-TiAl多晶模型中节点处晶粒，保留BCC-TiV节点处晶粒，并合并HCP-TiAl和BCC-TiV多晶模型，最终获得HCP+BCC结构的多晶多相Ti-Al-V三元合金晶胞模型。
在步骤3)中，采用2NN-MEAM势函数分别拟合Ti-Ti、Ti-Al、Ti-V、Al-V、Al-Al、V-V二元合金体系相互作用关系，最终表征Ti-Al-V三元合金体系各原子相互作用势。
有益效果：本发明根据α+β双相钛合金高温X-ray衍射试验结果将Ti-Al-V三元合金模型分为由Ti、Al元素组成的α相和由Ti、V元素组成的β相，将三元合金转化为两个二元合金的组合；采用2NN-MEAM势函数分别拟合Ti-Ti、Ti-Al、Ti-V、Al-V、Al-Al、V-V二元合金体系相互作用关系，表征Ti-Al-V三元合金体系各原子相互作用势，实现了双相多晶模型的构建及势函数拟合，简化了分子动力学仿真计算过程，提高了计算精度，从而减少实验次数，节省实践成本。本发明为Ti-Al-V三元合金分子动力学仿真及载荷作用下微观结构演变规律研究奠定基础，也为新开发多相多晶建模及势函数开发提供借鉴。
附图说明
图1为HCP-Ti多晶模型。
图2为BCC-Ti多晶模型。
图3为α+β双相Ti-Al-V多晶模型。
具体实施方式
为了使本发明的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
以Ti6Al4V双相钛合金材料为例具体说明Ti-Al-V三元合金分子动力学α+β双相几何模型构建及势函数拟合方法。
在Ti6Al4V双相钛合金中，Ti、Al和V原子占比(wt％)分别为90％、6％和4％，则Ti、Al、V原子个数比例则为86.2％：10.2％：3.6％。
假设晶胞中总原子个数为n，Al原子个数n1＝n×10.2％，V原子个数n2＝n×3.6％，Ti原子个数为n3＝n×86.2％。
1)根据α+β双相钛合金高温X-ray衍射试验将常温下的Ti-Al-V三元合金分为Ti-Al为主的α相和Ti-V为主的β相，并采用Voronoi细分法构建α和β相的多晶模型；
2)合并α相和β相，构建Ti-Al-V三元合金α+β多相多晶模型；
3)采用二元合金2NN-MEAM势函数拟合原子间相互作用关系，表征Ti-Al-V三元合金体系原子相互作用势。
具体地，首先根据α+β双相钛合金高温X-ray衍射试验结果可知，Ti6Al4V材料常温下α相主要由Ti和Al元素组成，β相主要由Ti和V元素组成。
采用ATOMSK建模软件构建HCP-Ti单晶模型(如图1所示)和BCC-Ti单晶模型(如图2所示)，采用相同的Voronoi细分法构建HCP-Ti和BCC-Ti多晶，具体多晶晶胞尺寸及节点设置方法如下：
box 200 180 210
node 0 0 0[100][010][001]
node 40 80 60 56-83 45
node 0.8*box 0.6*box 0.9*box[11-1][112][1-10]
node 50 5 60[110][1-10][001]
node 0.75*box 0.3*box 0.45*box-31.4 28.7 90.0
node 60 100 80random。
所构建的HCP_Ti和BCC_Ti多晶模型原子数目分别为nHCP和nBCC，则总原子数n＝nHCP+nBCC，分别以n1个Al原子随机替换HCP_Ti中的Ti原子，以n2个V原子替换BCC_Ti中的Ti原子，得到HCP_TiAl多晶模型和BCC_TiV多晶模型。
删除HCP_TiAl多晶中节点1和6处的晶粒，同时删除BCC_TiV多晶中的2-5节点，合并两个多晶晶胞得到Ti-Al-V三元合金α+β双相多晶模型(如图3所示)。
采用2NN-MEAM势函数分别对Ti、Al、V单质进行拟合，最终得Ti-Ti、Al-Al和V-V势函数各参数如表1所示。
表1 2NN-MEAM拟合Ti-Ti、Al-Al和V-V势函数各参数
类似地，采用2NN-MEAM势函数分别对Ti-Al、Ti-V和Al-V二元合金势函数拟合，各参数如表2所示。
表2 2NN-MEAM拟合Ti-Al、Ti-V和Al-V二元合金势函数各参数
注：X,Y分别代表不同元素
表3势函数拟合各参数说明
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种Ti-Al-V三元合金分子动力学α+β双相几何模型构建的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据试验确定Ti-Al-V三元合金中α相和β相各自的成分构成，包括元素含量和晶胞结构信息，然后根据获得的α相和β相各自的元素含量和晶胞结构信息采用Voronoi细分法分别构建α和β相的多晶模型；
2)合并α相和β相的多晶模型，构建Ti-Al-V三元合金α+β多相多晶模型；
在步骤1)中，采用Voronoi细分法，以相同节点设置方式分别构建HCP-Ti和BCC-Ti多晶模型；计算所构建晶胞模型原子总数n，并根据Ti、Al、V元素各自成分占比确定所构建模型中Al和V原子数量分别为n1和n2；随机选取HCP-Ti晶胞中n1个Ti原子替换为Al原子，BCC-Ti晶胞中的n2个Ti原子替换为V原子，获得HCP-TiAl和BCC-TiV多晶模型。
2.根据权利要求1所述的Ti-Al-V三元合金分子动力学α+β双相几何模型构建的方法，其特征在于，在步骤1)中，据α+β双相钛合金高温X-ray衍射试验将常温下的Ti-Al-V三元合金分为Ti-Al为主的α相和Ti-V为主的β相。
3.根据权利要求1所述的Ti-Al-V三元合金分子动力学α+β双相几何模型构建的方法，其特征在于，在步骤2)中，选取Voronoi部分节点，删除HCP-TiAl多晶模型中所选节点处晶粒，保留BCC-TiV多晶模型中所选节点处晶粒，并合并HCP-TiAl和BCC-TiV多晶模型，获得HCP+BCC结构的多晶多相Ti-Al-V三元合金晶胞模型。
4.一种势函数拟合方法，其特征在于，根据权利要求1所构建得到的Ti-Al-V三元合金α+β多相多晶模型，采用二元合金2NN-MEAM势函数拟合原子间相互作用关系，表征Ti-Al-V三元合金体系原子相互作用势。
5.一种势函数拟合方法，其特征在于，根据权利要求3所构建得到的HCP+BCC结构的多晶多相Ti-Al-V三元合金晶胞模型，采用2NN-MEAM势函数分别拟合Ti-Ti、Ti-Al、Ti-V、Al-V、Al-Al、V-V二元合金体系相互作用关系，最终表征Ti-Al-V三元合金体系各原子相互作用势。
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