CN113782104A - 镍基单晶合金模型构建方法、装置、存储介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的镍基单晶合金模型构建方法、装置、存储介质及设备，属于单晶各向异性技术领域。该方法包括：获取试验表征下，镍基单晶高温合金不同取向实际两相结构的元素组成，并明确其两相结构的体积分数，用于在atomsk软件中构建符合实际的模型；根据镍基单晶高温合金两相结构的体积分数及相对位置，建立得到镍基单晶合金的[001]取向超胞模型；对镍基单晶合金的[001]取向超胞模型进行变换，分别得到镍基单晶合金的[011]取向超胞模型和镍基单晶合金的[111]取向超胞模型。该装置、存储介质及设备能够用于实现该方法。以上模型通过分子动力学模拟(借助Lammps)建立镍基单晶不同取向两相界面在拉伸过程中的微结构演化规律，确定位错与界面力学性能之间的关系。
Description
技术领域
本发明涉及单晶各向异性技术领域，特别是涉及镍基单晶合金模型构建方法、装置、存储介质及设备。
背景技术
镍基单晶高温合金具有优异的疲劳、蠕变、抗腐蚀等力学性能，常用于航空发动机涡轮叶片。涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机的第一关键件，目前所有先进“两机”都采用高温性能优越的镍基单晶涡轮叶片。单晶涡轮叶片技术已经成为“两机”性能的标志，其结构设计与强度寿命技术是航发研究的关键。单晶涡轮叶片结构复杂、存在着显著的晶体取向相关性和取向敏感性。国外对此技术严格保密，我国起步空白。因此，对镍基单晶高温合金开展晶体取向相关性研究非常必要。而微观结构及位错演化是造成合金失效破坏的根本原因，由此出发进行研究有助于对航空发动机涡轮叶片的进一步性能设计。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种镍基单晶合金模型构建方法、装置、存储介质及设备，通过分子动力学描述镍基单晶不同取向两相界面在拉伸过程中的微结构演化规律，确定位错与界面力学性能之间的关系，从而更加适于实用。
为了达到上述第一个目的，本发明提供的镍基单晶合金模型构建方法的技术方案如下：
本发明提供的镍基单晶合金模型构建方法包括以下步骤：
通过镍基单晶高温合金不同取向两相结构的试验表征，获取Atomsk软件建模所需的合金的元素组成，并明确所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数；
根据所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数及相对位置，建立得到镍基单晶合金的[001]取向超胞模型；
对所述镍基单晶合金的[001]取向超胞模型进行变换，分别得到镍基单晶合金的[011]取向超胞模型和镍基单晶合金的[111]取向超胞模型。
本发明提供的镍基单晶合金模型构建方法还可采用以下技术措施进一步实现。
作为优选，镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的获取方法包括以下步骤：
在Atomsk软件内，建立镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型；
在Lammps程序内，根据所述镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，给定初始条件，得到定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型；
针对所述定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，进行弛豫，通过能量最小化方法获得所述镍基单晶合金不同取向两相结构稳定模型；
针对所述镍基单晶合金不同取向两相结构稳定模型进行升温，得到镍基单晶高温合金不同取向两相结构不同温度下的稳定模型。
作为优选，镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型加载模拟结果的获取方式具体包括以下步骤：
对所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型进行加载，得到模拟结果；
针对所述模拟结果进行可视化输出，借助Ovito软件，得到所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的加载模拟表征结果。
作为优选，根据所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数及相对位置，建立得到镍基单晶合金的[001]取向超胞模型，对所述模型加载并输出的过程中，还包括通过中心对称参数识别层错的步骤。
作为优选，对所述镍基单晶合金的[001]取向超胞模型进行变换，分别得到镍基单晶合金的[011]取向超胞模型和镍基单晶合金的[111]取向超胞模型的步骤过程中，所述变换方法包括旋转和/或切割。
作为优选，根据镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，所述给定初始条件，得到定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，具体包括以下步骤：
采用可收缩边界条件，以观察镍基单晶两相结构的变形，单位设置采用metal类型，原子类型设置为Atomic；
选取准确描述镍基单晶内部元素相互作用的嵌入式势函数，用于描述Ni-Ni，Ni-Al原子之间的相互作用；
选择数值积分方法以便确定每一时刻原子的速度及位置，选择Verlet算法进行速度及位置更新，确定积分计算步长，通过Maxwell随机分布赋予模型中粒子初始速度。
作为优选，针对所述定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，进行弛豫，通过能量最小化方法获得所述镍基单晶合金不同取向两相结构稳定模型的过程中，所述能量最小化方法采用共轭梯度算法。
作为优选，对所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型加载，得到模拟结果的步骤具体包括：
设置所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型下边界原子为固定原子，为所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型上边界原子赋予设定速度，中间为可动原子；
以恒定应变率加载，控制加载过程恒温，得到模拟结果。
作为优选，所述通过中心对称参数识别层错并对结果进行输出，具体包括以下步骤：
通过应力分量绘制应力应变曲线；
根据所述应力应变曲线，获取所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的力学性能参数；
应用位错分离算法得到位错相互作用；
根据所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的力学性能参数和位错相互作用，得到镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型内位错与力学性能参数之间的联系；
根据所述位错与力学性能参数之间的联系，得到位错强化机理。
为了达到上述第二个目的，本发明提供的镍基单晶合金模型构建装置的技术方案如下：
本发明提供的镍基单晶合金模型构建装置包括：
试验表征获取单元，通过镍基单晶高温合金不同取向两相结构的试验表征，获取Atomsk软件建模所需的合金的元素组成，并明确所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数；
[001]取向超胞模型建立单元，用于根据所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数及相对位置，建立得到镍基单晶合金的[001]取向超胞模型；
变换单元，用于对所述镍基单晶合金的[001]取向超胞模型进行变换，分别得到镍基单晶合金的[011]取向超胞模型和镍基单晶合金的[111]取向超胞模型。
为了达到上述第三个目的，本发明提供的计算机可读存储介质的技术方案如下：
本发明提供的计算机可读存储介质上存储有镍基单晶合金模型构建程序，所述镍基单晶合金模型构建程序在被处理器执行时，实现本发明提供的镍基单晶合金模型构建方法的步骤。
为了达到上述第四个目的，本发明提供的电子设备的技术方案如下：
本发明提供的终端设备，包括存储其和处理器，所述存储器上存储有镍基单晶合金模型构建程序，所述镍基单晶合金模型构建程序在被处理器执行时，实现本发明提供的镍基单晶合金模型构建方法的步骤。
本发明提供的镍基单晶合金模型构建方法、装置、存储介质及设备，通过Atomsk可以快速建模，符合实际晶体中相界与加载方向之间的位置关系，选取的势函数可以较为准确地描述镍基单晶合金中两相原子间作用力，保证模拟结果的可靠性。模型参数，控温方式和算法选择，可以提高计算效率，保证计算过程的有效性。通过后处理可实现Lammps结果的可视化，得到位错数据，进而分析位错演化规律。整个分子动力学模拟过程可通过高性能工作站快速计算，在原子数不太多的情况下还可依靠个人计算机进行，整个流程可以确定镍基单晶界面位错的演化过程，从而确立镍基单晶界面位错与材料性能之间的关系，以便确定位错强化机理。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的镍基单晶合金模型构建方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的镍基单晶合金模型构建装置中应用的各功能模块之间的信号流向关系示意图；
图3为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的镍基单晶合金模型构建设备结构示意图；
图4为本发明实施例提供的镍基单晶合金模型构建方法涉及的[001]取向最终模型结构示意图；
图5为本发明实施例提供的镍基单晶合金模型构建方法涉及的[011]取向最终模型结构示意图；
图6为本发明实施例提供的镍基单晶合金模型构建方法涉及的[111]取向最终模型结构示意图；
图7为本发明实施例提供的镍基单晶合金模型构建方法涉及的[001]取向堆垛层错图；
图8为本发明实施例提供的镍基单晶合金模型构建方法涉及的[011]取向堆垛层错图；
图9为本发明实施例提供的镍基单晶合金模型构建方法涉及的[111]取向堆垛层错图。
具体实施方式
有鉴于此，本发明提供了一种镍基单晶合金模型构建方法、装置、存储介质及设备，通过分子动力学描述镍基单晶不同取向两相界面在拉伸过程中的微结构演化规律，确定位错与界面力学性能之间的关系，从而更加适于实用。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种镍基单晶合金模型构建方法、装置、存储介质及设备，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
实施例1镍基单晶合金模型构建方法
参见附图1，本发明实施例1提供的镍基单晶合金模型构建方法包括以下步骤：
通过镍基单晶高温合金不同取向两相结构的试验表征，获取Atomsk软件建模所需的合金的元素组成，并明确所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数；
根据镍基单晶高温合金两相结构的体积分数及相对位置，建立得到镍基单晶合金的[001]取向超胞模型；
对镍基单晶合金的[001]取向超胞模型进行变换，分别得到镍基单晶合金的[011]取向超胞模型和镍基单晶合金的[111]取向超胞模型。
本发明实施例1提供的镍基单晶合金模型构建方法，通过Atomsk可以快速建模，符合实际晶体中相界与加载方向之间的位置关系，选取的势函数可以较为准确地描述镍基单晶合金中两相原子间作用力，保证模拟结果的可靠性。模型参数，控温方式和算法选择，可以提高计算效率，保证计算过程的有效性。通过后处理可实现Lammps结果的可视化，得到位错数据，进而分析位错演化规律。整个分子动力学模拟过程可通过高性能工作站快速计算，在原子数不太多的情况下还可依靠个人计算机进行，整个流程可以确定镍基单晶界面位错的演化过程，从而确立镍基单晶界面位错与材料性能之间的关系，以便确定位错强化机理。
其中，镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的获取方法包括以下步骤：
在Atomsk软件内，建立镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型；
根据镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，在Lammps程序中，给定初始条件，得到定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型；
针对定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，进行弛豫，通过能量最小化方法获得镍基单晶合金不同取向两相结构稳定模型；
针对镍基单晶合金不同取向两相结构稳定模型进行升温，得到镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型。
其中，镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的加载模拟及可视化输出具体包括以下步骤：
对镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型进行加载后，得到加载模拟结果；
针对模拟结果进行可视化输出，借助Ovito软件，得到镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的加载模拟表征。
其中，根据镍基单晶高温合金两相结构的体积分数及相对位置，建立得到镍基单晶合金的[001]取向超胞模型，对所述模型加载并输出的过程中，还包括通过中心对称参数识别层错的步骤。
其中，对镍基单晶合金的[001]取向超胞模型进行变换，分别得到镍基单晶合金的[011]取向超胞模型和镍基单晶合金的[111]取向超胞模型的过程中，变换方法包括旋转和/或切割。
其中，根据镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，给定初始条件，得到定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型具体包括以下步骤：
采用可收缩边界条件，以观察镍基单晶两相结构的变形，单位设置采用metal类型，原子类型设置为Atomic；
选取准确描述镍基单晶内部元素相互作用的嵌入式势函数，用于描述Ni-Ni，Ni-Al原子之间的相互作用；
选择数值积分方法以便确定每一时刻原子的速度及位置，选择Verlet算法进行速度及位置更新，确定积分计算步长，通过Maxwell随机分布赋予模型中粒子初始速度。
其中，针对定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，进行弛豫，通过能量最小化方法获得镍基单晶合金不同取向两相结构稳定模型的过程中，能量最小化方法采用共轭梯度算法。
其中，针对镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型进行加载，得到模拟结果的步骤具体包括：
设置镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型下边界原子为固定原子，为镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型上边界原子赋予设定速度，中间为可动原子；
以恒定应变率加载，控制加载过程恒温，得到模拟结果。
其中，通过中心对称参数识别层错并输出结果的步骤具体包括：
通过应力分量绘制应力应变曲线；
根据应力应变曲线，获取镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的力学性能参数；
应用位错分离算法得到位错相互作用；
根据镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的力学性能参数和位错相互作用，得到位错与力学性能参数之间的联系；
根据镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型内位错与力学性能参数之间的联系，得到位错强化机理。
实施例2镍基单晶合金模型构建装置
参见附图2，本发明实施例2提供的镍基单晶合金模型构建装置包括：
试验表征获取单元，通过镍基单晶高温合金不同取向两相结构的试验表征，获得Atomsk内建模所需的镍基单晶高温合金的元素组成，并明确镍基单晶高温合金两相结构的体积分数；
[001]取向超胞模型建立单元，用于根据镍基单晶高温合金两相结构的体积分数及相对位置，建立得到镍基单晶合金的[001]取向超胞模型；
变换单元，用于对镍基单晶合金的[001]取向超胞模型进行变换，分别得到镍基单晶合金的[011]取向超胞模型和镍基单晶合金的[111]取向超胞模型。
本发明实施例2提供的镍基单晶合金模型构建装置，通过Atomsk可以快速建模，符合实际晶体中相界与加载方向之间的位置关系，选取的势函数可以较为准确地描述镍基单晶合金中两相原子间作用力，保证模拟结果的可靠性。模型参数，控温方式和算法选择，可以提高计算效率，保证计算过程的有效性。通过后处理可实现Lammps结果的可视化，得到位错数据，进而分析位错演化规律。整个分子动力学模拟过程可通过高性能工作站快速计算，在原子数不太多的情况下还可依靠个人计算机进行，整个流程可以确定镍基单晶界面位错的演化过程，从而确立镍基单晶界面位错与材料性能之间的关系，以便确定位错强化机理。
实施例3计算机可读存储介质
本发明提供的计算机可读存储介质上存储有镍基单晶合金模型构建程序，镍基单晶合金模型构建程序在被处理器执行时，实现本发明提供的镍基单晶合金模型构建方法的步骤。
本发明实施例3提供的计算机存储介质，通过Atomsk可以快速建模，符合实际晶体中相界与加载方向之间的位置关系，选取的势函数可以较为准确地描述镍基单晶合金中两相原子间作用力，保证模拟结果的可靠性。模型参数，控温方式和算法选择，可以提高计算效率，保证计算过程的有效性。通过后处理可实现Lammps结果的可视化，得到位错数据，进而分析位错演化规律。整个分子动力学模拟过程可通过高性能工作站快速计算，在原子数不太多的情况下还可依靠个人计算机进行，整个流程可以确定镍基单晶界面位错的演化过程，从而确立镍基单晶界面位错与材料性能之间的关系，以便确定位错强化机理。
实施例4终端设备
参见附图3，本发明提供的终端设备包括存储其和处理器，存储器上存储有镍基单晶合金模型构建程序，镍基单晶合金模型构建程序在被处理器执行时，实现本发明提供的镍基单晶合金模型构建方法的步骤。
本发明实施例4提供的终端设备，通过Atomsk可以快速建模，符合实际晶体中相界与加载方向之间的位置关系，选取的势函数可以较为准确地描述镍基单晶合金中两相原子间作用力，保证模拟结果的可靠性。模型参数，控温方式和算法选择，可以提高计算效率，保证计算过程的有效性。通过后处理可实现Lammps结果的可视化，得到位错数据，进而分析位错演化规律。整个分子动力学模拟过程可通过高性能工作站快速计算，在原子数不太多的情况下还可依靠个人计算机进行，整个流程可以确定镍基单晶界面位错的演化过程，从而确立镍基单晶界面位错与材料性能之间的关系，以便确定位错强化机理。
其中，参照图3，图3为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的镍基单晶合金模型构建设备结构示意图。
如图3所示，该镍基单晶合金模型构建设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器Central Processing Unit，CPU，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏Display、输入单元比如键盘Keyboard，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口如无线保真WIreless-FIdelity，WI-FI接口。存储器1005可以是高速的随机存取存储器Random Access Memory，RAM存储器，也可以是稳定的非易失性存储器Non-Volatile Memory，NVM，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构并不构成对镍基单晶合金模型构建设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图3所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及镍基单晶合金模型构建程序。
在图3所示的镍基单晶合金模型构建设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明镍基单晶合金模型构建设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在镍基单晶合金模型构建设备中，镍基单晶合金模型构建设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的镍基单晶合金模型构建程序，并执行本发明实施例提供的镍基单晶合金模型构建方法。
实施例5
借助Atomsk程序建模，使模型的相界与加载方向符合实际晶体结构。
首先建立基体通道包裹一个强化相的两相模型。
建立尺寸为75a×75a×75a的基体相模型，a为基体相的晶格常数，这里取0.352nm。建模命令为：
atomsk--create fcc 3.52 Ni orient[100][010][001]-duplicate 75 75 75Ni.cfg
建立尺寸为66a1×66a1×66a1的强化相模型，a1为强化相的晶格常数，可取为0.3573nm。建模命令为：
atomsk--create L12 3.573 Ni Al orient[100][010][001]-duplicate 66 6666 Ni3Al.cfg
将基体相模型和强化相模型合并，形成两相结构模型。
由镍基单晶高温合金的两相实际结构可知，强化相以立方格形式嵌入在基体通道中，且强化相的体积分数约为60％～70％。前两步中所建立的强化相和基体相模型，当强化相正好完全替代基体相中部位置时，便形成了[001]取向的两相模型，此时只具有一个强化相，强化相被基体相包裹，且强化相体积分数占比约为70％。
由于Atomsk建模中每次命令不得过长，否则可能无法识别，一般可连续使用2-3个选择。Atomsk中进行模型合并时，需要保持原点一致，或者按顺序直接堆叠，这里建模选择原点一致，将强化相嵌入到基体相中。
由于合并时不会直接删除所在区域原子，所以需要先将基体相内部去掉等同于强化相尺寸的部分，考虑晶格错配，大约为67a×67a×67a。通过以下建模命令实现：
atomskNi.cfg-select in box 14.08 14.08 14.08 249.92 249.92 249.92 -rmatom select Nicut.cfg
模型合并时应保持坐标原点及尺寸基本一致，所以上述模型的强化相模型尺寸更改为74a1×74a1×74a1，然后去掉外侧等同于基体通道尺寸的部分，再与Nicut.cfg模型合并，命令如下：
atomskNi3Al.cfg-select out box 14.292 14.292 14.292 250.11 250.11250.11-rmatomselect Ni3Alcut.cfg
atomsk--merge 2 Ni3Alcut.cfg Nicut.cfg 100cell.cfg
需要注意的是，由于基体相和强化相的晶格常数不同，在模型切割过程中上述参数可以保证切割面平整，但是在模型合并时有可能会出现相界的某两层原子部分重叠或间隙过大，这是由于两相结构错配造成的，无法避免，需要在调运模型进行分子模拟计算时对结构进一步优化，使所有原子处于更合理的能量最低位置。
然后，将单个强化相的两相模型进行复制，形成超胞结构。实现方法如下：
atomsk100cell.cfg-duplicate 2 2 2 super100.cfg
考虑到计算效率限制同时便于观察相界，通过cut选择及修改模型盒子尺寸，保留中部1/8的模型作为后续分子模拟模型。
以上，建立了用于分子动力学模拟的[001]取向镍基单晶高温合金模型，如图4所示。
最后，建立其他取向模型。
将[001]取向的超胞模型进行旋转，得到[011]和[111]取向超胞模型，命令如下：
atomsksuper100.cfg-orient[100][010][001][001][-110][110]super110.cfg
atomsksuper100.cfg-orient[100][010][001][-110][11-2][111]super111.cfg
将超胞模型保留中部结构，获得[011]，[111]取向模型，如图5，6所示。将cfg格式模型转换为lmp格式便可直接用于Lammps分子模拟计算。
以上流程实现了三种典型晶体取向的镍基单晶高温合金建模。此次建模仅考虑了主要元素镍和铝，还可通过substitute和add-atom选择向模型中替代或加入其他固溶原子。
在根据所述模型给定初始条件，设定边界条件，选择势函数，赋予粒子初始速度与位置的步骤中，设置模型参数，选择势函数，确定边界条件及计算方法。
具体地，在本示例实施方式中，选取可以准确描述镍基单晶内部元素相互作用的嵌入式势函数(EAM)，本发明采用的势函数可以精确的描述Ni-Ni，Ni-Al原子之间的相互作用。需要注意的是，如果模型中含有多种元素，需要选取或开发合适的势函数来描述各种原子间的相互作用。同时进行截断半径设置，对于金属体系，可设置为2.0近邻表距离。
边界条件设置时，为观察变形，镍基单晶两相模型采用可收缩边界条件，单位设置采用metal类型，原子类型设置为atomic。
选取计算方法，以获得粒子速度及位置。分子动力学模拟程序中可选择数值积分方法以便确定每一时刻原子的速度及位置，可选择Verlet算法等进行速度及位置更新。确定积分计算步长为0.001ps,通过Maxwell随机分布赋予模型中粒子初始速度。积分步长选取过短，会使计算时长成倍增加，而步长过大，数据将不精确，步长的选择需要综合考虑计算效率及计算机硬件配置。
在对所述模型进行弛豫，获得稳定构型，能量最小化后升温至目标温度的步骤中，获得初始稳定构型。具体地，在本示例实施方式中，加载之前，首先要使模型进入稳定状态，即势能稳定，这一过程称为驰豫。采用NVT系综在室温下以1飞秒的时间步长弛豫40皮秒，弛豫中的控温方法采用Nose-Hoover控温方法，它是一种强耦合热浴，理论上更符合正则分布，可使温度在平衡值附近涨落，保证模型在计算过程中不受温度的影响。进而得到加载设置之前的初始稳定构型。值得注意的是，对于晶体结构，初始模型中粒子需要位于晶格点阵位置附近，如果构型有误可能会无法达到平衡状态，进而影响模拟结果。
对所述稳定构型加载，获得所需物理量如应力、能量等，并进行可视化输出。
具体地，设置模型下边界原子为固定原子，上边界原子赋予一定速度，中间为可动原子，进而实现以恒定应变率加载，设置不同的拉伸速度可实现不同应变率加载。控制加载过程恒温，原子的位置以及速度更新通过verlet迭代算法实现，0.001ps的时间步长可以确保verlet算法精确进行。体系温度设置为300K，500K，700K，900K，1100K分别进行计算,共计算50万步，即50ps,可以观察到明显的塑性变形过程。
计算势能，动能，中心对称参数，配位数等，时间步设置为1fs,每5000步输出一个文件，确定输出时刻的原子构型，输出文件中还包括原子坐标，原子类型，模型尺寸，应力分量，应变等信息。
采用可视化软件分析不同时间的原子构型，结合位错分离算法分析位错形核以及不同类型位错的演化趋势。图7-9为不同取向模型拉伸过程产生的层错，层错通过中心对称参数识别，对于镍基单晶合金，可以控制在4至8之间，模拟温度为300K时选4效果较好。通过得到的结果可进一步绘制应力应变曲线以及位错应变曲线，从应力应变曲线中可获得模型的一些力学性能参数，后续可结合具体理论研究位错相互作用，解释位错与性能的联系，揭示位错强化机理。
本发明实施例5通过Atomsk程序对镍基单晶高温合金不同取向的两相结构进行建模，提供了一种分子动力学确定镍基单晶高温合金界面力学行为方法。建立了较为符合实际单晶结构的模型，有助于确定变形机制及镍基单晶高温合金的晶体取向相关性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (12)
1.一种镍基单晶合金模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过镍基单晶高温合金不同取向两相结构的试验表征，获取Atomsk软件建模所需的镍基单晶高温合金的元素组成，并明确所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数；
根据所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数及相对位置，建立得到镍基单晶合金的[001]取向超胞模型；
对所述镍基单晶合金的[001]取向超胞模型进行变换，分别得到镍基单晶合金的[011]取向超胞模型和镍基单晶合金的[111]取向超胞模型。
2.根据权利要求1所述的镍基单晶合金模型构建方法，其特征在于，所述Atomsk软件内，镍基单晶高温合金不同取向两相结构的稳定模型获取方法，包括以下步骤：
在Atomsk软件内，建立镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型；
在Lammps开源程序中，根据所述镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，给定初始条件，得到定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型；
针对所述定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，进行弛豫，通过能量最小化方法获得所述镍基单晶合金不同取向两相结构稳定模型；
针对所述镍基单晶合金不同取向两相结构稳定模型进行升温，得到镍基单晶高温合金不同取向两相结构在不同温度下的稳定模型。
3.根据权利要求2所述的镍基单晶合金稳定模型获取方法，其特征在于，所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的加载及可视化，具体包括以下步骤：
对所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型进行加载，得到模拟结果；
针对所述模拟结果进行可视化输出，可视化借助Ovito软件，得到所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的可视化输出；
根据所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的可视化输出，得到Ovito软件界面下，所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的加载模拟结果。
4.根据权利要求3所述的镍基单晶合金模型加载及可视化方法，其特征在于，根据所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数及相对位置，建立得到镍基单晶合金的[001]取向超胞模型，对所述模型加载并输出的过程中，还包括通过中心对称参数识别层错的步骤。
5.根据权利要求1所述的镍基单晶合金模型构建方法，其特征在于，对所述镍基单晶合金的[001]取向超胞模型进行变换，分别得到镍基单晶合金的[011]取向超胞模型和镍基单晶合金的[111]取向超胞模型，所述变换方法包括旋转和/或切割。
6.根据权利要求2所述的镍基单晶合金稳定模型获取方法，其特征在于，根据所述镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，给定初始条件，得到定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型，具体包括以下步骤：
Lammps内，采用可收缩边界条件，以观察镍基单晶两相结构的变形，单位设置采用metal类型，原子类型设置为Atomic；
选取准确描述镍基单晶内部元素相互作用的嵌入式势函数，用于描述Ni-Ni，Ni-Al原子之间的相互作用；
选择数值积分方法以便确定每一时刻原子的速度及位置，选择Verlet算法进行速度及位置更新，确定积分计算步长，通过Maxwell随机分布赋予模型中粒子初始速度。
7.根据权利要求2所述的镍基单晶合金稳定模型获取方法，其特征在于，对所述定参数的镍基单晶合金不同取向的两相结构初始模型进行弛豫，通过能量最小化方法获得所述镍基单晶合金不同取向两相结构稳定模型，此过程中，所述能量最小化方法采用共轭梯度算法。
8.根据权利要求3所述的镍基单晶合金模型加载及可视化方法，其特征在于，对所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型进行加载，得到模拟结果。具体包括以下步骤：
设置所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型下边界原子为固定原子，为所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型上边界原子赋予设定速度，中间为可动原子；
以恒定应变率加载，控制加载过程恒温，得到模拟结果。
9.根据权利要求4所述的镍基单晶合金模型加载及输出过程，其特征在于，通过中心对称参数识别层错，并对结果进行输出。具体包括以下步骤：
通过应力分量绘制应力应变曲线；
根据所述应力应变曲线，获取所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的力学性能参数；
应用位错分离算法得到位错相互作用；
根据所述镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型的力学性能参数和位错相互作用，得到镍基单晶高温合金不同取向两相结构稳定模型内位错与力学性能参数之间的联系；
根据所述位错与力学性能参数之间的联系，得到位错强化机理。
10.一种镍基单晶合金模型构建装置，其特征在于，包括：
试验表征获取单元，用于获取Atomsk软件建模所需的镍基单晶高温合金的元素组成，并明确所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数；
[001]取向超胞模型建立单元，用于根据所述镍基单晶高温合金两相结构的体积分数及相对位置，建立得到镍基单晶合金的[001]取向超胞模型；
变换单元，用于对所述镍基单晶合金的[001]取向超胞模型进行变换，分别得到镍基单晶合金的[011]取向超胞模型和镍基单晶合金的[111]取向超胞模型。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有镍基单晶合金模型构建程序，所述镍基单晶合金模型构建程序在被处理器执行时，实现权利要求1-9中任一所述的镍基单晶合金模型构建方法的步骤。
12.一种终端设备，其特征在于，包括存储其和处理器，所述存储器上存储有镍基单晶合金模型构建程序，所述镍基单晶合金模型构建程序在被处理器执行时，实现权利要求1-9中任一所述的镍基单晶合金模型构建方法的步骤。
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Cited By (1)
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| WO2023123382A1 (zh) * | 2021-12-31 | 2023-07-06 | 深圳晶泰科技有限公司 | 基于分子动力学的晶体熔点的计算方法、装置及存储介质 |
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| CN110489934A (zh) * | 2019-09-20 | 2019-11-22 | 长春理工大学 | 一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法 |
| CN112992280A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-18 | 苏州健雄职业技术学院 | 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 |
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