CN114708920A - 一种梯度纳米孪晶的多尺度建模方法 - Google Patents

一种梯度纳米孪晶的多尺度建模方法 Download PDF

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Abstract

本公开揭示了一种梯度纳米孪晶的多尺度建模方法，包括：构建晶体的元胞立方体模型；构建所述元胞立方体模型的镜像对称模型，通过将二者的原子坐标文件合并以构建孪晶模型；以所述孪晶模型的孪晶界中心原子的Y轴坐标值为固定中间值，对所述孪晶模型的原子坐标文件中所有原子的Y轴坐标值进行区间划分，并删除区间外一切原子，获得沿Y轴的三种不同长度的孪晶模型；以所述三种不同长度的孪晶模型以及各位向晶粒结构的中心点坐标文件作为种子点，生成三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型；对所述三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型通过采用晶粒选择性删除以及模型拼接的方式获得梯度纳米孪晶原子结构模型。

Description

一种梯度纳米孪晶的多尺度建模方法
技术领域
本公开属于材料结构建模技术领域，特别涉及一种建立梯度纳米孪晶多尺度模型的方法。
背景技术
在材料科学领域，梯度纳米晶结构的金属材料因为同时具备高强度和高塑性而被越来越多的研究人员所熟知和应用，与梯度纳米晶结构相比，梯度纳米孪晶结构在强度、塑性、加工硬化、断裂性能和疲劳性能等方面表现出更加优异的性能。但目前梯度纳米孪晶结构在高层错能金属材料上的制备是一大研究难题，如钛合金的梯度纳米孪晶制备少之又少。随着计算机技术的发展，计算机模拟成为研究材料性能的有效手段，其中，模型建立是开展各项研究的前提和基础。目前，含有孪晶材料原子结构的建模方法只能建立纳米孪晶多晶结构模型，结合梯度纳米孪晶的晶体塑性模型和原子结构模型的多尺度建模方法至今未见报道。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种梯度纳米孪晶多尺度建模方法，该方法充分考虑了真实微观结构特征，能够实现简单直观的梯度纳米孪晶原子结构建模和晶体塑性建模，并进一步为在高层错能金属材料上制备梯度纳米孪晶结构提供指导。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种梯度纳米孪晶原子结构建模方法，所述方法用于指导高性能梯度纳米孪晶结构金属的制备，包括如下步骤：
S100：构建晶体的元胞立方体模型；
S200：构建所述元胞立方体模型的镜像对称模型，通过将二者的原子坐标文件合并以构建孪晶模型；
S300：以所述孪晶模型的孪晶界中心原子的Y轴坐标值为固定中间值，对所述孪晶模型的原子坐标文件中所有原子的Y轴坐标值进行区间划分，并删除区间外一切原子，获得沿Y轴的三种不同长度的孪晶模型；
S400：以所述三种不同长度的孪晶模型以及各位向晶粒结构的中心点坐标文件作为种子点，生成三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型；
S500：对所述三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型通过采用晶粒选择性删除以及模型拼接的方式获得梯度纳米孪晶原子结构模型。
优选的，步骤S100中，所述晶体的元胞立方体模型通过以下方式构建：基于晶体结构特征得到的原子坐标变化规律，结合Fortran编程获得所建梯度纳米孪晶原子结构模型内所含全部原子的X、Y、Z坐标文件，根据全部原子的X、Y、Z坐标文件建立晶体的元胞立方体模型。
优选的，步骤S400包括如下步骤：
S401：通过C#编程实现Voronoi算法的交互软件，准备所建梯度纳米孪晶原子结构模型中各位向晶粒结构的中心点坐标文件并对中心点所对应晶粒依次进行编号；
S402：以所述三种不同长度的孪晶模型和各位向晶粒结构的中心点坐标作为种子点，通过Atomsk软件及Voronoi算法生成三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型。
优选的，步骤S500包括如下步骤：
S501：根据晶粒编号对所述三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型中的晶粒分别进行选择性删除，获得三种孪晶密度不同的局部梯度纳米孪晶原子结构模型；
S502：根据晶粒编号对所述三种孪晶密度不同的局部梯度纳米孪晶原子结构模型进行拼接，获得梯度纳米孪晶原子结构模型。
优选的，所述方法还包括以下步骤：
S600：对具有梯度纳米孪晶结构的金属样品进行EBSD制样及测试，获得金属样品的EBSD数据；
S700：将所述金属样品的EBSD数据导入MATLAB中，获取金属样品每一个晶粒的结构及取向信息，并据此得到可供ABAQUS有限元软件读取的节点单元信息；
S800：对所述梯度纳米孪晶原子结构模型加载模拟以获得该模型的刚度矩阵，并进一步根据刚度矩阵获得金属样品的弹性常数，根据晶体塑性有限元硬化模型设置硬化参数，将所述弹性常数和硬化参数并结合取向数据整合转化为可供ABAQUS读取的input文件中的材料信息；
S900：根据所述单元节点信息和材料信息构建金属样品梯度纳米孪晶结构的代表体积单元模型，即晶体塑性有限元模型，实现多尺度建模。
优选的，步骤S700包括如下步骤：
S701：在MATLAB中通过MTEX导入金属样品的EBSD数据，根据扫描步长沿X轴、Y轴对格点进行编号，读取EBSD数据中每个格点的坐标数据和欧拉角取向数据，并通过textool将欧拉角取向数据转换为晶面指数与晶向指数格式的取向数据；
S702：根据欧拉角判断和统计同属一个晶粒的格点，并将同一晶粒中的所有格点编号转换为可供ABAQUS有限元软件读取的input文件中的节点单元信息。
优选的，步骤S800中，所述梯度纳米孪晶模型的刚度矩阵表示如下：
Figure BDA0003365919510000041
优选的，步骤S800中，所述晶体塑性有限元硬化模型表示为：
Figure BDA0003365919510000042
Figure BDA0003365919510000043
Figure BDA0003365919510000044
hαβ＝qhαα
其中，
Figure BDA0003365919510000045
为α滑移系的剪切应变率；
Figure BDA0003365919510000046
为滑移参考剪切应变率；取值为0.001；τα为α滑移系的分解剪切应力；
Figure BDA0003365919510000047
为滑移系临界剪切应力，下标c表示临界；n为滑移速率相关指数；N为滑移系数；hαα为自硬化模量，是指滑移系对自身所造成的影响；hαβ是潜硬化模量，是指不同滑移系之间的影响；h0为初始硬化模量；hs为第一阶段的硬化模量；τ0为初始屈服应力；τ1为第一阶段的屈服应力；γ0为滑移参考剪切应变；fαβ为滑移系之间相互作用系数；γβ为β滑移系的剪切应变；γ0为滑移参考剪切应变；q为潜硬化模量与自硬化模量的比值，对共面滑移系，比值为1，其他情况为1.4。
优选的，步骤S900包括如下步骤：
S901：在ABAQUS有限元软件中先建立一个简单模型，获取初始input文件，其中，该模型的尺寸与EBSD图框选区域的格点数量对应，即一个有限元单元网格对应一个EBSD格点，同属一个晶粒格点编号集合对应一组ABAQUS节点单元集合；
S902：将所述节点单元集合信息和材料信息按晶粒编号导入ABAQUS可读取的input文件，从而获得金属样品的梯度纳米孪晶结构的晶体塑性有限元模型。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
本公开所述方法充分考虑了真实微观结构特征，能够实现简单直观的梯度纳米孪晶原子结构建模和晶体塑性建模。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种梯度纳米孪晶多尺度建模方法的流程图；
图2是本公开另一个实施例提供的元胞模型的结构示意图；
图3是本公开另一个实施例提供的孪晶模型的结构示意图；
图4是本公开另一个实施例提供的不同长度孪晶种子的结构示意图；
图5是本公开另一个实施例提供的纳米孪晶原子结构模型的结构示意图；
图6是本公开另一个实施例提供的局部纳米孪晶原子结构模型的结构示意图；
图7是本公开另一个实施例提供的梯度纳米孪晶微观尺度原子结构模型的结构示意图；
图8是本公开另一个实施例提供的梯度纳米孪晶钛EBSD图；
图9是本公开另一个实施例提供的基于EBSD图构建的ABAQUS简单模型示意图；
图10是本公开另一个实施例提供的基于ABAQUS简单模型构建的ABAQUS代表体积单元模型示意图。
具体实施方式
下面将参照附图1至图10详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种梯度纳米孪晶原子结构建模方法，所述方法用于指导高性能梯度纳米孪晶结构金属的制备，包括如下步骤：
S100：构建晶体的元胞立方体模型；
该步骤中，基于晶体结构特征得到的原子坐标变化规律，结合Fortran编程获得所建梯度纳米孪晶原子结构模型内所含全部原子的X、Y、Z坐标文件，根据全部原子的X、Y、Z坐标文件建立如图2所示的晶体的元胞立方体模型。
S200：构建所述元胞立方体模型的镜像对称模型，通过将二者的原子坐标文件合并以构建孪晶模型；
该步骤中，将由步骤S100获取的元胞立方体模型关于XOZ平面镜像对称，获得元胞立方体模型的镜像模型，并将元胞立方体模型以及镜像模型的原子坐标文件合并，从而可获得如图3所示的孪晶模型。
S300：以所述孪晶模型的孪晶界中心原子的Y轴坐标值为固定中间值，对所述孪晶模型的原子坐标文件中所有原子的Y轴坐标值进行区间划分，并删除区间外一切原子，获得沿Y轴的三种不同长度的孪晶模型；
该步骤中，假设孪晶模型的孪晶界中心原子的Y轴坐标值为279，以该值为固定中间值，对孪晶模型的原子坐标文件中所有原子的Y轴坐标值进行区间划分，得到[229,329]，[189,369]，[129,429]三个长度区间，删除这三个长度区间外的所有原子，分别得到如图4所示的三种沿Y轴且长为
Figure BDA0003365919510000081
的孪晶模型。
S400：以所述三种不同长度的孪晶模型以及各位向晶粒结构的中心点坐标文件作为种子点，生成三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型；
该步骤中，首先通过C#编程实现Voronoi算法的交互软件，准备所建梯度纳米孪晶原子结构模型中各位向晶粒结构的中心点坐标文件并对中心点所对应晶粒依次进行编号；然后以上一实施例中三种长为
Figure BDA0003365919510000082
的孪晶模型和各位向晶粒结构的中心点坐标作为种子点，通过Atomsk软件及Voronoi算法生成三种孪晶密度不同的如图5所示的纳米孪晶模型。
S500：对所述三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型通过采用晶粒选择性删除以及模型拼接的方式获得梯度纳米孪晶原子结构模型。
该步骤中，通过Atomsk软件，并根据晶粒编号对所述三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型中的晶粒分别进行选择性删除，获得三种孪晶密度不同的如图6所示的局部梯度纳米孪晶原子结构模型。根据晶粒编号对所述三种孪晶密度不同的局部梯度纳米孪晶原子结构模型进行拼接，即可获得如图7所示的梯度纳米孪晶原子结构模型。
另一个实施例中，所述梯度纳米孪晶原子结构建模方法还包括如下步骤：
S600：对具有梯度纳米孪晶结构的金属样品进行EBSD制样及测试，获得金属样品的EBSD数据；
该步骤中，以钛合金为例，从原始具有梯度纳米孪晶结构的钛合金样品中切取尺寸为20mm*6mm*6mm的矩形条，对20mm*6mm表面进行EBSD制样，制样过程采用镶嵌+机械研磨+机械抛光的方式，制样结束后进行EBSD测试，选择扫描步长为0.3μm。
S700：将所述金属样品的EBSD数据导入MATLAB中，获取金属样品每一个晶粒的结构及取向信息，并据此得到可供ABAQUS有限元软件读取的节点单元信息；
该步骤中，在MATLAB中通过MTEX导入钛合金样品经EBSD测试得到的ctf文件，选择含明显梯度孪晶的部分绘制如图8所示的EBSD图；根据扫描步长沿X轴、Y轴对格点进行编号，读取EBSD数据中每个格点的坐标数据和欧拉角取向数据，例如图8中所选格点，index＝40574，(x，y)＝(346,202)，Euler＝(218.7，169.8,225.2)，通过textool将欧拉角取向数据转换为晶面指数与晶向指数格式的取向数据；为节省计算量，框选部分区域进行数据输出，由于同一晶粒内格点欧拉角取向数据在一定误差内相同，根据欧拉角的异同判断和统计同属一个晶粒的格点，并将同一晶粒中的所有格点编号集合通过MATLAB改写成对应的字符串集合，以此转换为可供ABAQUS有限元软件读取的input文件中的节点单元信息。
S800：对所述梯度纳米孪晶原子结构模型加载模拟以获得该模型的刚度矩阵，并进一步根据刚度矩阵获得金属样品的弹性常数，根据晶体塑性有限元硬化模型设置硬化参数，将所述弹性常数、硬化参数和取向数据通过MATLAB控制生成材料参数矩阵，并添加字符串转化为可供ABAQUS读取的input文件中的材料信息；
该步骤中，所述梯度纳米孪晶模型的刚度矩阵表示如下：
Figure BDA0003365919510000101
所述晶体塑性有限元硬化模型表示为：
Figure BDA0003365919510000102
Figure BDA0003365919510000103
Figure BDA0003365919510000104
hαβ＝qhαα
其中，
Figure BDA0003365919510000105
为α滑移系的剪切应变率；
Figure BDA0003365919510000106
为滑移参考剪切应变率；取值为0.001；τα为α滑移系的分解剪切应力；
Figure BDA0003365919510000107
为滑移系临界剪切应力，下标c表示临界；n为滑移速率相关指数；N为滑移系数；hαα为自硬化模量，是指滑移系对自身所造成的影响；hαβ是潜硬化模量，是指不同滑移系之间的影响；h0为初始硬化模量；hs为第一阶段的硬化模量；τ0为初始屈服应力；τ1为第一阶段的屈服应力；γ0为滑移参考剪切应变；fαβ为滑移系之间相互作用系数；γβ为β滑移系的剪切应变；γ0为滑移参考剪切应变；q为潜硬化模量与自硬化模量的比值，对共面滑移系，比值为1，其他情况为1.4。
所述硬化参数表示如下：
Figure BDA0003365919510000111
S900：根据所述单元节点信息和材料信息构建金属样品梯度纳米孪晶结构的代表体积单元模型，即晶体塑性有限元模型，实现多尺度建模。
该步骤中，首先在ABAQUS有限元软件中先建立一个图9所示的简单模型，该模型的尺寸与步骤S2000中的框选区域的格点数量对应，为234*100*1mm，采用C3D8单元类型，共划分23400个单元，对应EBSD数据中23400个格点，获取初始input文件。其中，该模型的尺寸与图9所示的EBSD图中的框选区域的格点数量对应，即一个有限元单元网格对应一个EBSD格点，同属一个晶粒格点编号集合对应一组ABAQUS节点单元集合；将所述节点单元集合信息和材料信息按晶粒编号导入ABAQUS可读取的input文件，从而可获得如图10所示的钛合金样品梯度纳米孪晶结构的代表体积单元模型，即晶体塑性有限元模型，实现了多尺度建模。
上述方法充分考虑了真实微观结构特征，能够实现简单直观的梯度纳米孪晶原子结构建模和晶体塑性建模，从而为高性能梯度纳米孪晶结构金属的制备提供指导依据，从而能够在一定程度上解决现有的梯度纳米孪晶结构在高层错能金属材料上的制备的难题。
以上应用了具体实施例对本公开进行了阐述，只是用于帮助理解本公开，并不用于限制本公开。任何熟悉该技术的技术人员在本公开所揭示的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本公开的范围之内。

Claims (9)

1.一种梯度纳米孪晶原子结构建模方法，所述方法用于指导高性能梯度纳米孪晶结构金属的制备，包括如下步骤：
S100：构建晶体的元胞立方体模型；
S200：构建所述元胞立方体模型的镜像对称模型，通过将二者的原子坐标文件合并以构建孪晶模型；
S300：以所述孪晶模型的孪晶界中心原子的Y轴坐标值为固定中间值，对所述孪晶模型的原子坐标文件中所有原子的Y轴坐标值进行区间划分，并删除区间外一切原子，获得沿Y轴的三种不同长度的孪晶模型；
S400：以所述三种不同长度的孪晶模型以及各位向晶粒结构的中心点坐标文件作为种子点，生成三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型；
S500：对所述三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型通过采用晶粒选择性删除以及模型拼接的方式获得梯度纳米孪晶原子结构模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，步骤S100中，所述晶体的元胞立方体模型通过以下方式构建：基于晶体结构特征得到的原子坐标变化规律，结合Fortran编程获得所建梯度纳米孪晶原子结构模型内所含全部原子的X、Y、Z坐标文件，根据全部原子的X、Y、Z坐标文件建立晶体的元胞立方体模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S400包括如下步骤：
S401：通过C#编程实现Voronoi算法的交互软件，准备所建梯度纳米孪晶原子结构模型中各位向晶粒结构的中心点坐标文件并对中心点所对应晶粒依次进行编号；
S402：以所述三种不同长度的孪晶模型和各位向晶粒结构的中心点坐标作为种子点，通过Atomsk软件及Voronoi算法生成三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S500包括如下步骤：
S501：根据晶粒编号对所述三种孪晶密度不同的纳米孪晶模型中的晶粒分别进行选择性删除，获得三种孪晶密度不同的局部梯度纳米孪晶原子结构模型；
S502：根据晶粒编号对所述三种孪晶密度不同的局部梯度纳米孪晶原子结构模型进行拼接，获得梯度纳米孪晶原子结构模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括如下步骤：
S600：对具有梯度纳米孪晶结构的金属样品进行EBSD制样及测试，获得金属样品的EBSD数据；
S700：将所述金属样品的EBSD数据导入MATLAB中，获取金属样品每一个晶粒的结构及取向信息，并据此得到可供ABAQUS有限元软件读取的节点单元信息；
S800：对所述梯度纳米孪晶原子结构模型加载模拟以获得该模型的刚度矩阵，并进一步根据刚度矩阵获得金属样品的弹性常数，根据晶体塑性有限元硬化模型设置硬化参数，将所述弹性常数和硬化参数并结合取向数据整合转化为可供ABAQUS读取的mput文件中的材料信息；
S900：根据所述单元节点信息和材料信息构建金属样品梯度纳米孪晶结构的代表体积单元模型，即晶体塑性有限元模型，实现多尺度建模。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤S700包括如下步骤：
S701：在MATLAB中通过MTEX导入金属样品的EBSD数据，根据扫描步长沿X轴、Y轴对格点进行编号，读取EBSD数据中每个格点的坐标数据和欧拉角取向数据，并通过textool将欧拉角取向数据转换为晶面指数与晶向指数格式的取向数据；
S702：根据欧拉角判断和统计同属一个晶粒的格点，并将同一晶粒中的所有格点编号转换为可供ABAQUS有限元软件读取的input文件中的节点单元信息。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤S800中，所述梯度纳米孪晶模型的刚度矩阵表示如下：
Figure FDA0003365919500000031
8.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤S800中，所述晶体塑性有限元硬化模型表示为：
Figure FDA0003365919500000032
Figure FDA0003365919500000033
Figure FDA0003365919500000034
hαβ＝qhαα
其中，
Figure FDA0003365919500000035
为α滑移系的剪切应变率；
Figure FDA0003365919500000036
为滑移参考剪切应变率；取值为0.001；τα为α滑移系的分解剪切应力；
Figure FDA0003365919500000041
为滑移系临界剪切应力，下标c表示临界；n为滑移速率相关指数；N为滑移系数；hαα为自硬化模量，是指滑移系对自身所造成的影响；hαβ是潜硬化模量，是指不同滑移系之间的影响；h0为初始硬化模量；hs为第一阶段的硬化模量；τ0为初始屈服应力；τ1为第一阶段的屈服应力；γ0为滑移参考剪切应变；fαβ为滑移系之间相互作用系数；γβ为β滑移系的剪切应变；γ0为滑移参考剪切应变；q为潜硬化模量与自硬化模量的比值，对共面滑移系，比值为1，其他情况为1.4。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤S900包括如下步骤：
S901：在ABAQUS有限元软件中先建立一个简单模型，获取初始input文件，其中，该模型的尺寸与EBSD图框选区域的格点数量对应，即一个有限元单元网格对应一个EBSD格点，同属一个晶粒格点编号集合对应一组ABAQUS节点单元集合；
S902：将所述节点单元集合信息和材料信息按晶粒编号导入ABAQUS可读取的input文件，从而获得金属样品的梯度纳米孪晶结构的晶体塑性有限元模型。
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