CN113270149B - 基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法 - Google Patents

基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法，包括以下步骤：S1、确定Fe‑Ti‑O三元模拟体系的初始成分，并选取描述Fe‑Ti‑O三元体系中所包含的所有原子间相互作用力的势函数；S2、根据Fe‑Ti‑O三元模拟体系的初始成分，建立Fe‑Ti‑O三元模拟体系的初始结构模型；S3、将初始结构模型的信息导入Lammps软件中进行计算，得到铁液中钛氧团簇生长过程中的坐标文件；S4、将坐标文件导入可视化软件进行分析，得到钛氧团簇生长机制；S5、根据坐标文件计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数，对钛氧团簇的结构进行表征。本发明，将采用分子动力学模拟的方法研究钢液中钛氧团簇的生长机制，结合可视化的方法观察钛氧团簇的生长过程。

Description

基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法
技术领域
本发明涉及钢液夹杂物领域。更具体地说，本发明涉及一种基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法。
背景技术
钢中含有O、S、N等元素，在钢高温冷却过程中，这些高浓度的非金属元素会与其他金属元素形成形状各异、大小不同、类型复杂的非金属夹杂物。非金属夹杂物的存在往往造成钢材表面和内部缺陷，给钢基体带来很大的危害，且目前生产工艺无法将钢中夹杂物完全去除。然而，钢中的非金属夹杂物并非都是有害的，研究发现，尺寸小于3μm且弥散分布的钛氧化物能够提高钢的强韧性能。研究钛氧化物在钢基体中的形成过程对于合理调控并利用钛氧化物十分关键。
由于钛与氧的结合过程发生在高温且不透明的铁液中，且形成过程发生在纳秒级，因此实验的方法难以揭示钛氧团簇的形成过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法，将采用分子动力学模拟的方法研究钢液中钛氧团簇的生长机制，结合可视化的方法观察钛氧团簇的生长过程。本发明通过使用分子动力学方法来研究钢中钛氧团簇生长过程，结合可视化方法观察钛氧团簇在生长过程中形貌的变化，并采用去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇序参数表征钛氧团簇生长过程中结构变化，从而揭示钛氧团簇的生长过程，对探究TiO夹杂物的形成有着重要的指导意义。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法，包括以下步骤：
S1、根据所需的钛氧浓度，确定Fe-Ti-O三元模拟体系的初始成分，并选取描述所述Fe-Ti-O三元体系中所包含的所有原子间相互作用力的势函数；
S2、根据S1中得到的Fe-Ti-O三元模拟体系的初始成分，建立所述Fe-Ti-O三元模拟体系的初始结构模型；
S3、将S2中建立的所述初始结构模型的信息导入Lammps软件中进行计算，得到铁液中钛氧团簇生长过程中的坐标文件；
S4、将S3中得到的所述坐标文件导入可视化软件进行分析，得到钛氧团簇生长机制；
S5、根据S3中得到的所述坐标文件计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径和平均序参数，对钛氧团簇的结构进行表征。
优选的是，所述的基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法中，S2中采用Packmol软件建立所述Fe-Ti-O三元模拟体系的初始结构模型。
优选的是，所述的基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法中，S3中将S2中建立的所述初始结构模型的信息导入Lammps软件中进行计算时，Lammps软件的in文件中设定基于分子动力学模拟Fe液中钛氧团簇生长所需要的模拟参数，所述模拟参数包括设定体系类型、原子类型、边界条件、系综及生长条件。
优选的是，所述的基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法中，S4中采用的可视化软件为OVITO软件或Jmol软件。
优选的是，所述的基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法中，S5中根据S3中得到的所述坐标文件计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径的方法如下：
S51、计算钛氧团簇的分子质心坐标：
Figure GDA0003723816280000021
Figure GDA0003723816280000022
Figure GDA0003723816280000023
S52、计算钛氧团簇的回旋半径：
Figure GDA0003723816280000031
S53、计算钛氧团簇的基元回旋半径：
Figure GDA0003723816280000032
其中，N为团簇内原子数目；
S53、去除团簇形貌的影响，对团簇形状进行球化处理，并计算钛氧团簇的球化度：
Figure GDA0003723816280000033
S54、计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径：
Figure GDA0003723816280000034
其中，xi、yi和zi代表i原子的三维坐标；mi代表i原子的相对原子质量；m代表Ti和O原子相对原子质量之和；Rg代表回旋半径，其中Rg物理意义为原子质量中心到分子质量中心的距离；Ψ为球化度，与团簇等体积的球表面积与团簇的表面积之比；S1为与团簇等体积的球的表面积；S2为团簇表面积；
Figure GDA0003723816280000036
为去除形状因素的基元回旋半径。
优选的是，所述的基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法中，S5中根据S3中得到的所述坐标文件计算钛氧团簇平均序参数的方法如下：
S55、预先计算钛氧团簇中每个钛原子i与其第一近邻氧原子的球谐函数向量及每个氧原子i与其第一近邻钛原子的球谐函数向量：
Figure GDA0003723816280000035
Figure GDA0003723816280000041
S56、计算钛氧团簇中每个钛原子i或氧原子i的球谐函数的平均向量：
Figure GDA0003723816280000042
Figure GDA0003723816280000043
S57、计算钛氧团簇中每个原子的平均序参数：
Figure GDA0003723816280000044
S58、计算钛氧团簇序参数：
Figure GDA0003723816280000045
其中：Nb(iTi-O)是钛原子i的第一近邻氧原子个数；Nb(iO-Ti)是氧原子i的第一邻钛原子个数；Nb(iTi-Ti)是钛原子i的第一邻钛原子个数；Nb(iO-O)是氧原子i的第一近邻氧原子个数；第一近邻的判断距离为径向分布函数第一峰的波谷位置，若两个原子之间距离小于此距离，即判定为属于第一近邻原子；
Figure GDA0003723816280000046
为球谐函数，球谐函数可以表征原子的对称性，通过球谐函数判断原子的对称性，从而判断团簇中原子的有序程度；θi,j为矢量rij与Z轴之间的夹角；
Figure GDA0003723816280000051
为矢量rij在XOY平面投影与X轴之间的夹角；j为选定原子i的近邻原子个数，j＝0表示i原子本身；Ql,cluster代表钛氧团簇的平均序参数，Ncluster代表团簇中包含原子数目；ql,cluster(i)代表团簇中包含的每个原子的平均序参数。
本发明的有益效果是：
(1)由于钛与氧的结合过程发生在高温且不透明的铁液中，且形成过程发生在纳秒级，因此实验的方法难以探究钛氧团簇的形成过程，所以本发明主要通过使用分子动力学方法来研究钢中钛氧团簇生长过程，结合可视化方法观察钛氧团簇的生长机制，克服了实验中难以观察到钢液中钛氧团簇的生长过程的问题。并采用去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数表征钛氧团簇生长过程中结构变化，从而揭示钛氧团簇的生长过程，对探究TiO夹杂物的形成有着重要的指导意义。
(2)目前缺少表征钛氧团簇结构变化的表征参数，本发明通过计算钛氧团簇去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数，可以分别表征钛氧团簇结构变化与钛氧团簇有序程度变化。采用去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数表征钛氧团簇生长过程中结构变化并结合可视化分析，从而揭示钛氧团簇的生长过程，对探究TiO夹杂物的形成有着重要的指导意义。
(3)分子动力学模拟计算的第一步是要建立初始模型，为了满足模拟Fe液中钛氧团簇生长的条件，需要建立Lammps可识别的Fe原子、Ti原子和O原子随机分布的初始模型，现有建模的方法无法满足。本发明通过自主编程程序，可将建模软件Packmol建模的初始模型，转换成Lammps可识别的Fe-Ti-O三元体系初始模型数据文件，提供给模拟计算使用，解决了无法建立Lammps可识别的Fe-Ti-O随机分布的初始模型。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明实施例2中基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及其结构表征方法的流程图；
图2为本发明实施例3中建立的初始模型的结构示意图；
图3为本发明实施例4中Fe液中钛氧团簇生长过程可视化分析，其中(a)为5ps；(b)为25ps；(c)为50ps；(d)为100ps；
图4为本发明实施例5中钛氧团簇生长过程中去形状因素基元回旋半径值变化；
图5为本发明实施例5中钛氧团簇生长过程中钛氧团簇平均序参数值变化。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
<实施例1>
本发明的实施例提供一种基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法，包括以下步骤：
S1、根据所需的钛氧浓度，确定Fe-Ti-O三元模拟体系的初始成分，并选取描述所述Fe-Ti-O三元体系中所包含的所有原子间相互作用力的势函数；
S2、根据S1中得到的Fe-Ti-O三元模拟体系的初始成分，采用Packmol软件建立所述Fe-Ti-O三元模拟体系的初始结构模型；
S3、将S2中建立的所述初始结构模型的信息导入Lammps软件中进行计算，得到铁液中钛氧团簇生长过程中的坐标文件；具体的，将S2中建立的所述初始结构模型的信息导入Lammps软件中进行计算时，Lammps软件的in文件中设定基于分子动力学模拟Fe液中钛氧团簇生长所需要的模拟参数，所述模拟参数包括设定体系类型、原子类型、边界条件、系综及生长条件。
S4、将S3中得到的所述坐标文件导入可视化软件进行分析，得到钛氧团簇生长机制；所述可视化软件为OVITO软件或Jmol软件。
S5、根据S3中得到的所述坐标文件计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径和平均序参数，对钛氧团簇的结构进行表征；
其中根据S3中得到的所述坐标文件计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径的方法如下：
S51、计算钛氧团簇的分子质心坐标：
Figure GDA0003723816280000071
Figure GDA0003723816280000072
Figure GDA0003723816280000073
S52、计算钛氧团簇的回旋半径：
Figure GDA0003723816280000074
S53、计算钛氧团簇的基元回旋半径：
Figure GDA0003723816280000075
其中，N为团簇内原子数目；
S53、去除团簇形貌的影响，对团簇形状进行球化处理，并计算钛氧团簇的球化度：
Figure GDA0003723816280000076
S54、计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径：
Figure GDA0003723816280000077
其中，xi、yi和zi代表i原子的三维坐标；mi代表i原子的相对原子质量；m代表Ti和O原子相对原子质量之和；Rg代表回旋半径，其中Rg物理意义为原子质量中心到分子质量中心的距离；Ψ为球化度，与团簇等体积的球表面积与团簇的表面积之比；S1为与团簇等体积的球的表面积；S2为团簇表面积；
Figure GDA0003723816280000086
为去除形状因素的基元回旋半径。
其中根据S3中得到的所述坐标文件计算钛氧团簇平均序参数的方法如下：
S55、预先计算钛氧团簇中每个钛原子i与其第一近邻氧原子的球谐函数向量及每个氧原子i与其第一近邻钛原子的球谐函数向量：
Figure GDA0003723816280000081
Figure GDA0003723816280000082
S56、计算钛氧团簇中每个钛原子i或氧原子i的球谐函数的平均向量：
Figure GDA0003723816280000083
Figure GDA0003723816280000084
S57、计算钛氧团簇中每个原子的平均序参数：
Figure GDA0003723816280000085
S58、计算钛氧团簇序参数：
Figure GDA0003723816280000091
其中：Nb(iTi-O)是钛原子i的第一近邻氧原子个数；Nb(iO-Ti)是氧原子i的第一邻钛原子个数；Nb(iTi-Ti)是钛原子i的第一邻钛原子个数；Nb(iO-O)是氧原子i的第一近邻氧原子个数；第一近邻的判断距离为径向分布函数第一峰的波谷位置，若两个原子之间距离小于此距离，即判定为属于第一近邻原子；
Figure GDA0003723816280000092
为球谐函数，球谐函数可以表征原子的对称性，通过球谐函数判断原子的对称性，从而判断团簇中原子的有序程度；θi,j为矢量rij与Z轴之间的夹角；
Figure GDA0003723816280000093
为矢量rij在XOY平面投影与X轴之间的夹角；j为选定原子i的近邻原子个数，j＝0表示i原子本身；Ql,cluster代表钛氧团簇的平均序参数，Ncluster代表团簇中包含原子数目；ql,cluster(i)代表团簇中包含的每个原子的平均序参数。
该实施例中，受于实验方法和条件的限制，钢液中钛氧团簇的生长过程很难被观察到。因此本专利将采用分子动力学模拟的方法研究钢液中钛氧团簇的生长机制，结合可视化的方法观察钛氧团簇的生长过程。分子动力学模拟需要建立初始模型，现有技术无法建立分子动力学模拟软件可识别的Fe液中随机分布Ti原子和O原子模型的数据文件，我们利用自主编程程序，将建模软件Packmol建立的Fe-Ti-O初始模型转换成分子动力学模拟软件可识别的数据文件。且目前缺少用于表征钛氧团簇生长过程中结构变化的参数，发明了钛氧团簇去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数分别用于表征钛氧团簇结构变化和钛氧团簇有序程度变化
与现有技术相比，本发明的优点：
(1)钛与氧的结合过程发生在高温且不透明的铁液中，且形核过程发生在纳秒级，因此实验的方法难以探究钛氧团簇的形成过程。本发明基于分子动力学模拟铁液中钛氧团簇生长，可以观察到钛氧团簇生长过程，从而理解钛氧团簇的生长机制。
(2)现有建模方法无法建立Lammps可读取识别的Fe液中随机分布Ti原子和O原子模型。通过自主编程程序，成功将建模软件Packmol建立的Fe液中随机分布Ti原子和O原子模型转变为Lammps可读取识别的文件。
(3)缺少表征钛氧团簇结构变化的表征参数，本发明通过计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数，可以分别表征钛氧团簇结构有序程度的变化与钛氧团簇有序程度变化，并找到钛氧团簇的晶化尺寸。采用去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数表征钛氧团簇生长过程中结构变化并结合可视化分析，从而揭示钛氧团簇的生长过程，对探究TiO夹杂物的形成有着重要的指导意义。
<实施例2>
如图1所示，本发明还提供基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及其结构表征的方法，以解决实验中难以观察到钢液中钛氧团簇的生长过程的问题，包括以下步骤：
(1)确定Fe-Ti-O三元模拟体系的初始成分；
(2)选取能够描述Fe-Ti-O三元体系中所包含的所有原子间相互作用力的势函数；
(3)采用建模软件Packmol建立Fe-Ti-O三元模拟体系初始模型；
(4)采用自主编程程序，将建模软件Packmol建立的初始模型信息转为Lammps可以识别的Fe-Ti-O三元模拟体系初始模型；
(5)编写Lammps执行计算的in文件；
(6)输出Fe液中钛氧团簇生长过程中坐标文件，采用Jmol和OVITO软件进行碰撞过程可视化分析，并根据坐标文件，采用发明的钛氧团簇去形状因素基元回旋半径计算法和钛氧团簇平均序参数法计算碰撞过程团簇去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数值，对Fe中钛氧团簇碰撞过程中的钛氧团簇结构进行表征分析.
上述实施例中，根据所需要的钛氧浓度，计算Fe-Ti-O三元体系的初始成分。使用Materials Studio软件的晶体库分别导出Fe原子、Ti原子和O原子用于建模使用。根据计算的初始成分，采用建模软件Pcakmol建立初始模型，并使用自主编程程序，将Packmol建立的初始模型文件转换成Lammps可识别Fe-Ti-O三元体系初始模型；选取能够描述Fe-Ti-O三元体系中所包含的所有原子之间作用力的势函数；编写Lammps可执行计算文件in文件，在in文件中设定基于分子动力学模拟Fe液中钛氧团簇生长所需要的模拟参数，包括设定体系类型、原子类型、边界条件、系综及生长条件；通过分子动力学模拟软件Lammps计算，并输出Fe液中钛氧团簇生长过程中的坐标文件，导入可视化软件进行分析，得到钛氧团簇生长机制。并根据坐标文件计算钛氧团簇去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数，对其结构进行表征。
上述实施例中，主要的发明内容：
(1)发明了一种基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长的方法，将钛氧团簇生长过程的坐标文件输出，利用OVITO和Jmol进行可视化分析，克服了实验中难以观察到钢液中钛氧团簇的生长过程的问题。
(2)发明一种建立分子动力学模拟软件Lammps可识别的Fe-Ti-O三元体系初始模型数据文件的方法。利用自主编程，将建模软件packmol建立的模型，转换成Lammps可读取执行的数据文件，从而满足了建立钛氧原子随机在Fe液中位置的要求。
(3)发明了两种表征钛氧团簇生长过程中结构变化的方法，通过根据钛氧团簇的坐标文件，计算钛氧团簇生长过程中钛氧团簇去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数值，分别表征钛氧团簇生长过程中团簇内部结构变化及结构有序程度变化，其中去形状因素基元回旋半径计算公式如公式(1)-(5)所示，钛氧团簇平均序参数如公式(5)-(9)所示。
<实施例3>
如图2所示，本发明还提供一种百万原子体系初始模型的建立方法：
分子动力学模拟计算的第一步是要建立初始模型，为了满足模拟Fe液中钛氧团簇生长的条件，需要建立Fe原子、Ti原子和O原子随机分布的初始模型，现有建模的方法无法满足。本发明通过自主编程程序，可将建模软件Packmol建模的初始模型，转换成Lammps可识别的Fe-Ti-O三元体系初始模型数据文件，提供给模拟计算使用。
(1)首先通过Materials Studio软件中的晶体库导出Fe原子、Ti原子和O原子的pdb格式模型文件。
(2)根据Fe原子数量和所需Ti原子浓度及O原子浓度计算所需Ti原子和O原子数量，再根据原子数目计算模拟盒子大小。本实例建立100万Fe原子体系和Fe液中真实Ti浓度与O浓度，其中Ti浓度为200ppm，O浓度为80ppm，通过计算得知Ti原子数为233个，O原子数为280个，模拟盒子大小为
Figure GDA0003723816280000121
(3)利用建模软件Packmol进行建模，根据计算数据设置建模参数：其中Fe原子数为100万个，Ti原子数为233个，O原子数为280个，随机分布在
Figure GDA0003723816280000122
的模拟盒中，设置原子之间距离不能小于
Figure GDA0003723816280000123
保证原子之间距离合适和初始模型的合理性，参数设置完毕，建模完成后输出Packmol模型文件
(4)采用fortran语言编程，发明一种可以将Packmol模型文件转为Lammps可读取的Fe-Ti-O三元体系初始模型数据文件的程序。运行该程序，即可将Packmol模型文件转为Lammps可读取的初始模型数据文件，建模完成，如图2所示，该体系大小为
Figure GDA0003723816280000124
Figure GDA0003723816280000125
包含Fe原子数100万个，Ti原子数233个和O原子数280个。
<实施例4>
如图3所示，本发明还提供一种模拟Fe液中钛氧团簇生长情况：
钛与氧的结合过程发生在高温且不透明的铁液中，且形核过程发生在纳秒级，因此实验的方法难以探究钛氧团簇的形成过程。本发明基于分子动力学模拟铁液中钛氧团簇生长，可以观察到钛氧团簇生长过程，从而理解钛氧团簇的生长机制。
(1)首先确定Fe-Ti-O三元体系的成分，本次实施例成分为5000个Fe原子，250个Ti原子和250个O原子。
(2)确定可以描述Fe-Ti-O三元体系中原子间相互作用力的势函数
(3)根据计算的模拟成分，采用packmol进行随机分布建模，将5000个Fe原子，250个Ti原和250个O原子随机分布在
Figure GDA0003723816280000126
的模拟盒中，并利用自主编程程序，将packmol模型文件转为Lampps可读取的模型数据文件
(4)编写Lammps执行计算的in文件
(5)采用Lammps进行分子动力学模拟，首先对初始模型进行能量最小化，调整初始模型的结构，使初始模型变得合理，然后采用NPT系综，Berendesen控压法使压力恒定在1bar，Nose-Hoover控温法使初始模型从10K加热到2400K，弛豫时间为50ps,使Fe原子充分熔化。随后采用NPT系综，Berendesen控压法使压力恒定在1bar，Nose-Hoover控温法使体系从2400K冷却到2006K，弛豫时间为50ps,使Fe原子降温到冶炼温度。然后采用NPT系综，Berendesen控压法使压力恒定在1bar，Nose-Hoover控温法体系恒温在2006K，弛豫时间为1ns，使钛氧原子在Fe液中充分生长。整个模拟过程每隔1ps输出一次坐标文件，供可视化分析和结构表征使用。
(6)将模拟过程中输出的坐标文件导入OVITO进行可视化分析，分析其生长机制，如图3所示，分析得知钛氧原子在Fe液中的生长方式为碰撞生长。
<实施例5>
如图4-5所示，本发明还提供一种钛氧团簇去形状因素基元回旋半径和钛氧团簇平均序参数计算实例：
Fe液中钛氧原子通过团簇间或者团簇与游离钛氧原子间的相互碰撞，长大到临界尺寸后开始发生结构转变。团簇整体结构是由无序向有序转变，内部向紧密趋势，但由于前期团簇为了不断调整自己结构而达到临界尺寸，为了方便团簇内部原子排除和进入，内部在团簇阶段时向宽松转变，当达到临界尺寸时，结构向紧密转变，所以根据这个转变特性，通过去形状因素基元回旋半径找到团簇结构转变尺寸。
序参数可以描述原子构型的对称性判断原子有序程度，主要通过球谐函数判断原子的对称性，表征原子聚集长大过程中的有序度，从而判断团簇中原子从无序到有序的变化。
(1)采用Jmol软件，对实例2中坐标文件进行可视化分析，抓取其中的团簇，获取团簇中原子坐标。
(2)根据团簇中原子坐标计算团簇回旋半径值变化。首先根据公式(1)求得团簇的分子质心坐标，然后带入公式(2)求得团簇的回旋半径，再带入公示(3)求得团簇的基元回旋半径。然后对团簇形状进行球化处理，消除团簇形貌对基元回旋半径的影响，根据公式(4)求得球化度，最后利用公式(5)求得团簇的去形状因素基元回旋半径。本实例计算结果如图4所示，在61个原子之前团簇内部比较稀疏，前期团簇为了不断调整自己结构而达到临界转变尺寸，团簇内部会变得疏松，方便原子排除和进入，随着原子数目的增加基元半径一直在增加内部向宽松转变，团簇的去形状因素基元回旋半径从61个原子的时候开始出现下降，团簇整体结构开始由无序向有序转变，内部向紧密转变，去形状因素基元回旋半径在逐渐减小然后出现了平台，此时内部紧密，团簇达到稳定状态，团簇已经达到临界尺寸为61-76个原子之间，最终团簇的回旋半径稳定在
Figure GDA0003723816280000141
(3)根据团簇中原子坐标计算团簇平均序参数变化：将计算平均序参数q6，因为q6的值可以有效地分辨局部的有序无序结构，并能够区分出短程有序。首先根据公式(6)计算团簇中每个原子的q6m，q6m为每个原子i与其第一近邻原子的球谐函数向量，然后根据公式(7)计算出每个原子的平均
Figure GDA0003723816280000142
平均
Figure GDA0003723816280000143
为球谐函数平均向量，再根据公式(8)求出每个原子平均序参数的
Figure GDA0003723816280000144
最后根据公式(8)求出团簇的平均序参数Ql,cluster。本实例计算结果如图5所示，随着团簇尺寸的增加，序参数值呈现出波动式增长，直至出现平台。当团簇尺寸达到59个原子之后，序参数达到0.4以上，随后随着团簇尺寸的增长，序参数值波动不大，呈现出平台，其值在0.45±0.04之间，此时团簇内部原子达到相对稳定的位置，呈现出一定的有序性，与去形状因素基元回旋半径降落值相吻合，证实了当团簇的临界转变尺寸为61-76个原子之间，当团簇达到该尺寸时，团簇呈现出一定的有序性，为形核转变做好准备
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (4)

1.一种基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据所需的钛氧浓度，确定Fe-Ti-O三元模拟体系的初始成分，并选取描述所述Fe-Ti-O三元体系中所包含的所有原子间相互作用力的势函数；
S2、根据S1中得到的Fe-Ti-O三元模拟体系的初始成分，建立所述Fe-Ti-O三元模拟体系的初始结构模型；
S3、将S2中建立的所述初始结构模型的信息导入Lammps软件中进行计算，得到铁液中钛氧团簇生长过程中的坐标文件；
S4、将S3中得到的所述坐标文件导入可视化软件进行分析，得到钛氧团簇生长机制；
S5、根据S3中得到的所述坐标文件计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径和平均序参数，对钛氧团簇的结构进行表征；
其中，根据S3中得到的所述坐标文件计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径的方法如下：
S51、计算钛氧团簇的分子质心坐标：
Figure FDA0003723816270000011
Figure FDA0003723816270000012
Figure FDA0003723816270000013
S52、计算钛氧团簇的回旋半径：
Figure FDA0003723816270000021
S53、计算钛氧团簇的基元回旋半径：
Figure FDA0003723816270000022
其中，N为团簇内原子数目；
S53、去除团簇形貌的影响，对团簇形状进行球化处理，并计算钛氧团簇的球化度：
Figure FDA0003723816270000023
S54、计算钛氧团簇的去形状因素基元回旋半径：
Figure FDA0003723816270000024
其中，xi、yi和zi代表i原子的三维坐标；mi代表i原子的相对原子质量；m代表Ti和O原子相对原子质量之和；Rg代表回旋半径，其中Rg物理意义为原子质量中心到分子质量中心的距离；Ψ为球化度，与团簇等体积的球表面积与团簇的表面积之比；S1为与团簇等体积的球的表面积；S2为团簇表面积；
Figure FDA0003723816270000025
为去除形状因素的基元回旋半径；
其中，S5中根据S3中得到的所述坐标文件计算钛氧团簇平均序参数的方法如下：
S55、预先计算钛氧团簇中每个钛原子i与其第一近邻氧原子的球谐函数向量及每个氧原子i与其第一近邻钛原子的球谐函数向量：
Figure FDA0003723816270000026
Figure FDA0003723816270000027
Figure FDA0003723816270000031
S56、计算钛氧团簇中每个钛原子i或氧原子i的球谐函数的平均向量：
Figure FDA0003723816270000032
Figure FDA0003723816270000033
S57、计算钛氧团簇中每个原子的平均序参数：
Figure FDA0003723816270000034
S58、计算钛氧团簇序参数：
Figure FDA0003723816270000035
其中：Nb(iTi-O)是钛原子i的第一近邻氧原子个数；Nb(iO-Ti)是氧原子i的第一邻钛原子个数；Nb(iTi-Ti)是钛原子i的第一邻钛原子个数；Nb(iO-O)是氧原子i的第一近邻氧原子个数；第一近邻的判断距离为径向分布函数第一峰的波谷位置，若两个原子之间距离小于此距离，即判定为属于第一近邻原子；
Figure FDA0003723816270000036
为球谐函数，球谐函数可以表征原子的对称性，通过球谐函数判断原子的对称性，从而判断团簇中原子的有序程度；θi,j为矢量rij与Z轴之间的夹角；
Figure FDA0003723816270000037
为矢量rij在XOY平面投影与X轴之间的夹角；j为选定原子i的近邻原子个数，j＝0表示i原子本身；Ql,cluster代表钛氧团簇的平均序参数，Ncluster代表团簇中包含原子数目；ql,cluster(i)代表团簇中包含的每个原子的平均序参数。
2.如权利要求1所述的基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法，其特征在于，S2中采用Packmol软件建立所述Fe-Ti-O三元模拟体系的初始结构模型。
3.如权利要求2所述的一种基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法，其特征在于，S3中将S2中建立的所述初始结构模型的信息导入Lammps软件中进行计算时，Lammps软件的in文件中设定基于分子动力学模拟Fe液中钛氧团簇生长所需要的模拟参数，所述模拟参数包括设定体系类型、原子类型、边界条件、系综及生长条件。
4.如权利要求1所述的基于分子动力学的铁液中钛氧团簇生长及结构的表征方法，其特征在于，S4中采用的可视化软件为OVITO软件或Jmol软件。
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