CN113571139A - 一种金属晶界建模方法、记录媒体及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料设计技术领域，特别涉及一种金属晶界建模方法，包括以下步骤：计算金属的晶格参数；构建原子取向表面模型；通过弛豫表面构型，获取原子配位信息，并进而确定合适的表面模型层数；通过对称镜面操作构建初始晶界模型；通过设置应力、缺陷和滑移等操作，改变晶界构型，在此基础上优化晶界模型，获得最终晶界结构信息，并据此进行材料模拟获取晶界的物理性质。通过该方法，可以迅速有效地获取不同晶界的结构信息，适用于材料的研发和设计，具有很强的应用价值。本发明还提供了一种存储有金属晶界建模程序的非暂态可读记录媒体及包含该媒体的装置，通过处理电路可以调用该程序，以执行上述方法。
Description
技术领域
本发明属于材料设计技术领域，公开了一种金属晶界建模方法、存储有能执行该方法程序的记录媒体及系统。
背景技术
材料在使用过程中大部分都是以多晶状态存在的。多晶体中相邻的晶体间由于原子各有不同的取向，从而形成晶界。晶界可认为是一种晶体缺陷。它结构复杂，原子排列不规则，同时不可避免地存在着杂质和合金添加剂等偏聚元素，有时候会因此导致材料出现晶界脆化现象，严重影响材料的物理性能。
晶界性质的研究长期以来一直是材料科学工程中最重要的领域之一，具有十分重要的理论和实践意义。为了改进材料性能，提高其使役寿命，大量的科研工作开始针对材料晶界的性质展开研究，如晶界滑移、晶界偏析以及脆裂等。伴随着计算机应用技术的不断提升，直接用计算机模拟材料的晶界结构成为一种趋势。它能够直接从原子层次构建模型，准确地描述出材料的结构与性能的对应关系。尤其是精度更高的量子力学第一原理计算方法，它不使用除基本物理常数和原子量以外的任何可调的经验和拟合参数，直接对体系的薛定谔方程进行求解，从而得到体系的总能和电子结构，据此实现对材料的性能的预测分析。
在晶界的模拟研究过程中，获取精确结构的位错结构对于性能预测的准确性至关重要。其次，合适的晶胞尺寸也能节约计算资源，加速研发过程的实施。由于晶界结构的错综复杂，无论是实验技术，还是材料模拟仿真技术对于准确获取晶界的结构信息都是非常困难的，因此设计一种方法可以快速有效地获取不同金属晶界处的原子结构信息对材料性质的表征具有重大的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属晶界建模方法，采用该筛选方法可以简单快捷地获取不同金属不同晶体取向的晶界结构信息，模拟结果可与实验测量进行比较，该方法可大幅度降晶界模拟操作的复杂性，准确表征出晶界的性质，对于通过晶界调控提升材料的物理性能有着重要的促进作用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种金属晶界建模方法，包括以下步骤：
(1)计算金属的晶格参数获取原胞结构信息；
(2)根据所述原胞晶体结构，构建原子取向的表面模型；
(3)弛豫所述表面模型，获取所述表面模型不同层数的原子配位信息，确定所述表面模型的层数n；
(4)根据所述层数n，重构表面模型，通过对称镜面操作，去除重复原子层，获取初始晶界模型，晶界模型层数为2n-1；
(5)优化晶界模型。
优选的，所述步骤(2)中，运用三维建模软件Materials Studio或编程方法获取周期性重复的所述表面模型。
优选的，所述步骤(5)中优化是指通过设置应力、缺陷和滑移等操作，使所述晶界模型接近于金属晶界的真实状况。
在本发明的方法中，晶界结构错综复杂，通常选取实验中观测到的某种取向的稳定晶界建模，所构建的晶界为孪晶。构建过程中需保证拓展原胞每层至少含有4个原子，这样获取的原子配位信息受晶胞尺寸的影响较小，模型才会更加准确。对于表面模型，一个晶粒上下都是真空层；对于晶界模型，与一个晶粒连接的是另一种晶体取向的晶粒。基于表面模型建立晶界模型，更加方便有效。另外，通过设置应力、缺陷和滑移等操作，使得体系与真实更加接近。
本发明的另一方案在于提供一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，其特征在于，当执行指令时，将致使处理电路执行上述的一种金属晶界建模方法。
本发明的又一方案在于提供一种金属晶界建模系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，其特征在于，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行上述的一种金属晶界建模方法。
本发明的优点在于：
本发明建立一种金属晶界建模方法，通过该方法可获取稳定合理的晶界结构信息。以往的实验和模拟研究并没有提出完整有效的设计方案。本发明设计基于表面模型设计出一种快速有效的异质界面建模方法，其很大程度简化了晶界体系模拟研究的复杂性。应用该方法及包括该方法程序的系统可以合理地构建出文献中实验和计算报道的晶界以及未知的其它晶界，为材料的研发和设计节约投入成本。
附图说明
图1为Al金属的(210)表面的原子排布示意图；
包括侧视(a)和俯视(b)两部分；其中大球和小球分别代表不同平面的原子，球上的数字为原子层数示意。
图2为Al∑5(210)[001]晶界的侧视图；
其中虚线上下为不同排列的晶粒。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创新劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
以Al∑5(210)[001]孪晶为例，一种金属晶界建模方法包括如下步骤：
1、计算Al金属的晶格参数：基于实验文献，建立面心立方结构原胞，利用量子力学第一原理模拟计算软件VASP，可以得到Al金属的晶格常数为
对于该原胞，平均每个原子有12个近邻，最近邻原子距离为
2、基于面心立方的Al金属的晶体结构，利用三维建模软件Materials Studio构建(210)面堆垛的金属表面结构，如图1所示。该原胞为(2×2)的拓展结构，每层含有4个原子，共计60个原子。原子层厚度设置为15层。上下表面各
厚的真空层，总计真空层厚度为
3、利用计算软件VASP弛豫Al(210)表面模型。获取不同层数的原子配位信息，结果如表1所示。表面的1-3层配位数低于体相的12个，与体相情况相差甚远；表面4-5层近邻原子配位数达到12，但是近邻距离与体相的
仍然有差距。表面6-8层基与体相的配位情况基本一致，尤其是第8层的原子，它的12个近邻原子距离为
几乎跟体相一样。
据此，可以认为8层的表面模拟最合适，6-7层的表面模型较为合适。
表1不同层原子(1-8层)的近邻原子距离列表(单位
)。
4、基于以上分析结果，确定最合适的表面模型厚度参数为n＝8。据此利用Materials Studio软件构建8层(210)面堆垛的铝金属表面模型，获得晶粒1，如图2所示。对晶粒1进行对称镜面操作获得晶粒2。在此结构上去除重复的1层原子，从而获得厚度为17层的初始晶界模型。
5、将结构导入量子力学第一原理模拟计算软件VASP。通过优化上述晶界模型，获得没有其它缺陷的晶界结构，从而准确表征出Al∑5(210)[001]孪晶晶界周围原子的近邻配位信息。
6、根据实际需要，对于1-8层不同位置的原子，设置空位或者掺杂元素，如Mg和Zn等，构建有缺陷偏聚的晶界构型，重新获得含有其它缺陷体系的晶界原子的构型和近邻配位信息；另外，可以通过调节最外层(靠近真空层)原子的位置并固定该层原子，使得界面体系承受拉应力和压应力，获得不同应力条件下晶界原子的构型和近邻配位信息；最后，通过晶粒1和晶粒2的相对移动操作，可以获得滑移后晶界原子的构型和近邻配位信息。
利用该方法可以快速有效地获取不同条件下Al金属晶界处的原子结构信息，对后期Al金属材料原子层次性质的预测有着重要的意义。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机、可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
将上述方法步骤汇编成程序再存储于硬盘或其他非暂态存储介质就构成了本发明的“一种非暂态可读记录媒体”技术方案；而将该存储介质与计算机处理器电连接，通过程序实施金属晶界建模方法，则构成本发明的“一种金属晶界建模系统”技术方案。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种金属晶界建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)计算金属的晶格参数获取原胞结构信息；
(2)根据所述原胞晶体结构，构建原子取向的表面模型；
(3)弛豫所述表面模型，获取所述表面模型不同层数的原子配位信息，确定所述表面模型的层数n；
(4)根据所述层数n，重构表面模型，通过对称镜面操作，去除重复原子层，获取初始晶界模型，晶界模型层数为2n-1；
(5)优化晶界模型。
2.根据权利要求1所述的一种金属晶界建模方法，其特征在于，所述步骤(2)中，运用三维建模软件Materials Studio或编程方法获取周期性重复的所述表面模型。
3.根据权利要求1所述的一种金属晶界建模方法，其特征在于，所述步骤(5)中优化是指通过设置应力、缺陷和滑移等操作，使所述晶界模型接近于金属晶界的真实状况。
4.一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，其特征在于，当执行指令时，将致使处理电路执行权利要求1-3中任一项所述的一种金属晶界建模方法。
5.一种金属晶界建模系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，其特征在于，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行权利要求1-3中任一项所述的一种金属晶界建模方法。
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