JP2020030796A - 原子及び原子合金材料の構造及び特性を予測するシステム及び方法 - Google Patents

原子及び原子合金材料の構造及び特性を予測するシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】加速モンテ・カルロ技法と組み合わせた分子動力学（ＭＤ）の使用による、構造展開及び特性予測のシミュレーション・システム及び方法を提供する。【解決手段】原子及び原子合金材料の構造及び特性を予測するシステム及び方法であって、合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成に関係する情報を受信し２０２、複数の原子の同じ及び異なる原子相互作用の連続データを含む分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルを生成し２０４、構造平衡化を介して、ＭＤＰファイルの使用により、合金材料に特異的な複数の原子のそれぞれに関連する組成のための３次元（３Ｄ）構造ファイルを生成し２０６、モンテ・カルロ・アプリケーションを介して、３Ｄ構造ファイル及び１つ又は複数の熱処理機構の使用により、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つを含む展開最適化３Ｄ構造ファイルを生成する２０８。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照及び優先権
本出願は、インドの完全明細書、名称「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＰＲＥＤＩＣＴＩＮＧ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＡＮＤ ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ ＯＦ ＡＴＯＭＩＣ ＥＬＥＭＥＮＴＳ ＡＮＤ ＡＬＬＯＹ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＴＨＥＲＥＯＦ」、特許文献１、２０１８年８月２３日出願、に対する優先権を主張する。
本明細書の開示は、一般に、原子及び合金材料のマルチスケールモデル化に関し、より詳細には、原子及び原子合金材料の構造及び特性を予測するシステム及び方法に関する。
従来、金属合金の開発は、過去の実験又は何らかの実験的若しくは理論的な平衡状態図等に基づくものである。現実の小型及び大型試料の合成、処理及び機械的検査は、厄介な作業であり、時間、金銭、資源、冗長な検査及び処理機器及び工数の点でかなりの努力を必要とする。更に、工業金属材料の大部分は、非平衡構造又は準安定構造を有し、このため、従来の状態図計算等は、単独では工業金属材料の局所的構造及び関連する特性の予測にはあまり役立たない。また、金属及び合金に関する長期性能の予測は、依然として困難である。というのは、この予測は、経験及び長期の実験に依存し、製品化までの時間に対する障害を生じさせるためである。
インド出願番号第２０１８２１０３１５６７号
本開示の実施形態は、本発明者等が認識している、従来のシステムにおける上述の技術的課題の１つ又は複数に対する解決策として技術的改良点を提示するものである。例えば、一態様では、原子及び原子合金材料の構造及び特性を予測するプロセッサ実装方法を提供する。
本方法は、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサを介して、合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成の少なくとも１つに関係する情報を受信することであって、複数の原子は、１つ又は複数の金属原子から構成される、受信すること；１つ又は複数のハードウェア・プロセッサを介して、情報に基づき、複数の原子の同じ及び異なる原子相互作用の連続データを含む分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルを生成すること；１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する構造平衡化を介して、ＭＤＰファイルの使用により、合金材料に特異的な複数の原子のそれぞれに関連する組成のための３次元（３Ｄ）構造ファイルを生成することであって、３次元（３Ｄ）構造ファイルは、複数の原子及び原子に関連する種類のそれぞれに関する３Ｄ座標を含む、生成すること；並びに１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する１つ又は複数のモンテ・カルロ・アプリケーションを介して、３Ｄ構造ファイル及び１つ又は複数の熱処理機構の使用により、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つを含む展開最適化３Ｄ構造ファイルを生成することを含み、合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成に関係する１つ又は複数の特性は、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つの使用により予測される。
一実施形態では、方法は、合金材料の構造展開及び機械的特性を予測するため、展開最適化３Ｄ構造ファイルに１つ又は複数の線欠陥及び転位を導入することを更に含むことができる。
一実施形態では、分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルは、情報に基づき、複数の原子、及び複数の原子の対相互作用に関係する１つ又は複数のパラメータのそれぞれに対する埋め込み関数を計算することによって生成される。
一実施形態では、原子位置出力は、複数の原子の局所的組成、複数の原子の短距離規則化（ＳＲＯ）／短距離クラスタ化（ＳＲＣ）、複数の原子の局所的原子構造の格子歪み、複数の原子の局所的原子構造の局所的歪み、１つ又は複数の欠陥、複数の原子のナノクラスタ、複数の原子の分布を含む１つ又は複数の形態変化、１つ又は複数の位相場（ＰＦ）パラメータ、複数の原子の位相若しくはクラスタの１つ又は複数の界面、合金材料の展開シーケンス、合金材料の構造展開のリアルタイムスケール予測の少なくとも１つから構成される。
一実施形態では、熱力学的出力は、複数の原子の格子ポテンシャル・エネルギー、複数の原子のエンタルピーの変化、複数の原子のギブズ自由エネルギーの変化、及び複数の原子のエントロピーの変化、複数の原子の積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）、複数の原子の局所的熱力学変化、及び複数の原子の音子の少なくとも１つを含む。
別の態様では、原子及び原子合金材料の構造及び特性を予測するシステムを提供する。システムは、指示を保存するメモリ；１つ又は複数の通信インターフェース；並びに１つ又は複数の通信インターフェースを介してメモリに結合した１つ又は複数のハードウェア・プロセッサを備え、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサは、命令によって、合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成の少なくとも１つに関係する情報を受信することであって、複数の原子は、１つ又は複数の金属原子から構成される、受信すること；情報に基づき、複数の原子の同じ及び異なる原子相互作用の連続データを含む分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルを生成すること；１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する構造平衡化を介して、ＭＤＰファイルの使用により、合金材料に特異的な複数の原子のそれぞれに関連する組成のための３次元（３Ｄ）構造ファイルを生成することであって、３次元（３Ｄ）構造ファイルは、複数の原子及び原子に関連する種類のそれぞれに関する３Ｄ座標を含む、生成すること；並びに１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する１つ又は複数のモンテ・カルロ・アプリケーションを介して、３Ｄ構造ファイル及び１つ又は複数の熱処理機構の使用により、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つを含む展開最適化３Ｄ構造ファイルを生成することを行うように構成され、合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成に関係する１つ又は複数の特性は、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つの使用により予測される。
一実施形態では、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサは、合金材料の構造展開及び機械的特性を予測するため、展開最適化３Ｄ構造ファイルに１つ又は複数の線欠陥及び転位を導入するように更に構成される。
一実施形態では、分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルは、情報に基づき、複数の原子、及び複数の原子の対相互作用に関係する１つ又は複数のパラメータのそれぞれに対する埋め込み関数を計算することによって生成される。
一実施形態では、原子位置出力は、複数の原子の局所的組成、複数の原子の短距離規則化（ＳＲＯ）／短距離クラスタ化（ＳＲＣ）、複数の原子の局所的原子構造の格子歪み、複数の原子の局所的原子構造の局所的歪み、１つ又は複数の欠陥、複数の原子のナノクラスタ、複数の原子の分布を含む１つ又は複数の形態変化、１つ又は複数の位相場（ＰＦ）パラメータ、複数の原子の位相若しくはクラスタの１つ又は複数の界面、合金材料の展開シーケンス、合金材料の構造展開のリアルタイムスケール予測の少なくとも１つから構成される。
一実施形態では、熱力学的出力は、複数の原子の格子ポテンシャル・エネルギー、複数の原子のエンタルピーの変化、複数の原子のギブズ自由エネルギーの変化、及び複数の原子のエントロピーの変化、複数の原子の積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）、複数の原子の局所的熱力学変化、及び複数の原子の音子の少なくとも１つを含む。
更に別の態様では、１つ又は複数の命令を含む１つ又は複数の非一時的機械可読情報記憶媒体を提供し、１つ又は複数の命令は、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行すると、原子及び原子合金材料の構造及び特性の予測をもたらし、このことは、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサを介して、合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成の少なくとも１つに関係する情報を受信することであって、複数の原子は、１つ又は複数の金属原子から構成される、受信すること；１つ又は複数のハードウェア・プロセッサを介して、情報に基づき、複数の原子の同じ及び異なる原子相互作用の連続データを含む分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルを生成すること；１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する構造平衡化を介して、ＭＤＰファイルの使用により、合金材料に特異的な複数の原子のそれぞれに関連する組成のための３次元（３Ｄ）構造ファイルを生成することであって、３次元（３Ｄ）構造ファイルは、複数の原子及び原子に関連する種類のそれぞれに関する３Ｄ座標を含む、生成すること；並びに１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する１つ又は複数のモンテ・カルロ・アプリケーションを介して、３Ｄ構造ファイル及び１つ又は複数の熱処理機構の使用により、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つを含む展開最適化３Ｄ構造ファイルを生成することによって行い、合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成に関係する１つ又は複数の特性は、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つの使用により予測される。
一実施形態では、方法は、合金材料の構造展開及び機械的特性を予測するため、展開最適化３Ｄ構造ファイルに１つ又は複数の線欠陥及び転位を導入することを更に含むことができる。
一実施形態では、分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルは、情報に基づき、複数の原子、及び複数の原子の対相互作用に関係する１つ又は複数のパラメータのそれぞれに対する埋め込み関数を計算することによって生成される。
一実施形態では、原子位置出力は、複数の原子の局所的組成、複数の原子の短距離規則化（ＳＲＯ）／短距離クラスタ化（ＳＲＣ）、複数の原子の局所的原子構造の格子歪み、複数の原子の局所的原子構造の局所的歪み、１つ又は複数の欠陥、複数の原子のナノクラスタ、複数の原子の分布を含む１つ又は複数の形態変化、１つ又は複数の位相場（ＰＦ）パラメータ、複数の原子の位相若しくはクラスタの１つ又は複数の界面、合金材料の展開シーケンス、合金材料の構造展開のリアルタイムスケール予測の少なくとも１つから構成される。
一実施形態では、熱力学的出力は、複数の原子の格子ポテンシャル・エネルギー、複数の原子のエンタルピーの変化、複数の原子のギブズ自由エネルギーの変化、及び複数の原子のエントロピーの変化、複数の原子の積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）、複数の原子の局所的熱力学変化、及び複数の原子の音子の少なくとも１つを含む。
上記の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、例示的且つ説明的なものにすぎず、本開示の実施形態に対する制限ではないことを理解されたい。
本開示に組み込まれ、本開示の一部を構成する添付の図面は、例示的実施形態を示し、説明と共に、開示する原理を説明する役割を果たす。
本開示の一実施形態による、原子及び原子合金材料の構造及び特性を予測するシステムの例示的ブロック図である。 本開示の一実施形態による、図１のシステム１００を使用して原子及び原子合金材料の構造及び特性を予測する方法の例示的流れ図である。 本開示の一実施形態による、様々な温度に対する合金材料（例えばＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料）の格子パラメータ（ＬＰ）を示す近似直線曲線グラフである。 本開示の一実施形態による、固溶体が統計学的に無作為に分布した合金材料の金属原子を含有する最初の空間構成の図である。 本開示の例示的実施形態による、１４回のＭＣ交換試行／原子まで２０００Ｋで展開したＴａＮｂＨｆＺｒの局所的原子構造の図である。 本開示の例示的実施形態による、２８回のＭＣ交換試行／原子まで２０００Ｋで展開したＴａＮｂＨｆＺｒの局所的原子構造の図である。 本開示の例示的実施形態による、短距離クラスタ化（ＳＲＣ）によって作成した、１日間焼鈍した合金に対する局所構造領域状特徴部の図である。 本開示の例示的実施形態による、短距離クラスタ化（ＳＲＣ）によって作成した、４日間焼鈍した合金に対する局所構造領域状特徴部の図である。 本開示の例示的実施形態による、平面ＳＲＣにわたる局所的原子画分を示すグラフであり、平面ＳＲＣは、焼鈍ＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料に対するアトム・プローブ断層撮影法（ＡＰＴ）による再構築から実験的に得た。 本開示の例示的実施形態による、平面短距離クラスタ化（ＳＲＣ）にわたる局所的原子画分を示すグラフであり、局所的原子画分は、焼鈍ＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料に対するモンテ・カルロ（ＭＣ）構造展開及びビニング分析から得た。 本開示の例示的実施形態による、ＭＣ展開ＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料に対する２０００Ｋでの熱力学エンタルピーの変化を示すグラフである。 本開示の例示的実施形態による、焼鈍時間に対するＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料の圧縮耐力強度及び伸度（破断までのピーク歪み）変化を示すグラフである。 本開示の例示的実施形態による、純金属原子（例えば純Ｎｂ）に導入された刃状転位線の図である。 本開示の例示的実施形態による、ＭＣ展開ＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料に導入された刃状転位線の図である。 本開示の例示的実施形態による、剪断応力印加中の（左から右への）転位線の移動の図である。 本開示の例示的実施形態による、剪断応力印加中の（左から右への）転位線の移動の図である。
添付の図面を参照しながら例示的実施形態を以下で説明する。図面において、参照番号の最も左の桁（複数可）は、その参照番号が最初に出現する図を識別する。好都合である場合は常に、同じ又は同様の部品を指すために、図面全体を通じて同じ参照番号を使用する。開示する原理の例及び特徴を本明細書で説明するが、開示する実施形態の趣旨及び範囲から逸脱することなく、修正形態、適合形態及び他の実装形態が可能である。以下の詳細な説明は、例と見なされるにすぎず、真の範囲及び趣旨は、以下の特許請求の範囲によって示すことを意図する。
金属合金は、固溶体、金属間合金、及びバルク金属ガラス（ＢＭＧ）等の多様な構造から構成される。合金は、一般的に、強度、靭性、耐食性、熱特性等の点で大部分の構成元素よりもはるかに優れている。実用に一般的な合金は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉベースの合金である。進行中の科学的な研究及び開発活動のために、（高エントロピー合金のような）新たなＭｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、耐火性ベースの複合濃縮合金等は、機能的及び未来的な合金として重要になってきている。通常、従来の固溶体合金において、母材は、１つの主要元素ベースの単一／複数位相の体心立方（ＢＣＣ）／面心立方置換（ＦＣＣ）／格子間構造から構成される。しかし、複合濃縮合金において、複数の主要合金化元素が存在することがある。
実際の小型及び大型試料の合成、処理及び機械的検査は、厄介な作業であり、時間、金銭、資源、冗長な検査及び処理機器及び工数の点でかなりの努力を必要とする。上記で説明したように、工業金属材料の大部分は、非平衡構造又は準安定構造を有し、このため、従来の状態図計算等は、工業金属材料の局所構造及び関連する特性の予測には単独ではあまり役立たない。工業用途において、短距離規則化（ＳＲＯ）／短距離クラスタ化（ＳＲＣ）、ナノ沈殿段階等を含む、温度及び時間に依存する局所構造の展開は、材料の性能特性に著しく影響を与える。したがって、金属及び合金に対する長期性能の予測は、依然として困難である。というのは、この予測は、経験及び長期の実験に大きく依存し、製品の発売に対する妨げとなるためである。例えば１０００個の鋼種を超える多くの市販合金があるが、新製品、及び加工依存特性への改良が必要とされている。概して、高性能新製品の開発は、主に、多くの試行錯誤法に基づいており、製品開発に対する定方向の案内がないことが多い。現状では、従来の様式における合金の開発及び製品発売は、約１０〜２０年という膨大な時間がかかることがある。
次に、同様の参照文字が、図面全体を通じて一貫して対応する特徴を示す図面、より詳細には図１から図１４Ｂを参照すると、好ましい実施形態が示されており、これらの実施形態を、以下の例示的システム及び方法の文脈において説明する。
図１は、本開示の一実施形態による、原子及び原子合金材料の構造及び特性を予測するシステムの例示的ブロック図を示す。一実施形態では、システム１００は、１つ若しくは複数のプロセッサ１０４、通信インターフェース・デバイス（複数可）又は入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース（複数可）１０６、及び１つ若しくは複数のプロセッサ１０４に動作可能に結合された１つ若しくは複数のデータ保存デバイス又はメモリ１０２を含む。１つ又は複数のプロセッサ１０４は、１つ若しくは複数のソフトウェア処理モジュール及び／又はハードウェア・プロセッサとすることができる。一実施形態では、ハードウェア・プロセッサは、１つ又は複数のマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、中央処理ユニット、状態機械、論理回路、及び／又は動作指示に基づき信号を操作する任意のデバイスとして実装することができる。プロセッサ（複数可）は、他の機能の中でも特に、メモリ内に保存したコンピュータ可読命令を取り出し、実行するように構成されている。一実施形態では、デバイス１００は、ラップトップ・コンピュータ、ノートブック、ハンドヘルド・デバイス、ワークステーション、汎用コンピュータ、サーバ、ネットワーク・クラウド等、様々なコンピューティング・システム内に実装することができる。
Ｉ／Ｏインターフェース・デバイス（複数可）１０６は、様々なソフトウェア・インターフェース及びハードウェア・インターフェース、例えば、ウェブ・インターフェース、グラフィカル・ユーザ・インターフェース等を含むことができ、多種多様なネットワークＮ／Ｗ及びプロトコル・タイプ内で多数の通信を促進することができ、これらには、例えばＬＡＮ、ケーブル等の有線ネットワーク、及びＷＬＡＮ、セルラー又は衛星等のワイヤレス・ネットワークを含む。一実施形態では、Ｉ／Ｏインターフェース・デバイス（複数可）は、いくつかのデバイスを互いに接続するか又は別のサーバに接続する１つ又は複数のポートを含むことができる。
メモリ１０２は、当技術分野で公知の任意のコンピュータ可読媒体を含むことができ、これらには、例えば、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）及びダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）等の揮発性メモリ、並びに／又は読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブルＲＯＭ、フラッシュ・メモリ、ハードディスク、光ディスク及び磁気テープ等の不揮発性メモリを含む。一実施形態では、データベース１０８は、メモリ１０２内に保存することができ、データベース１０８は、合金原料（複数可）に特異的な原子及び原子の組成に関連する情報に限定するものではないが、１つ又は複数のシミュレーション技法（複数可）、１つ又は複数のモデル化技法（複数可）等によって生成した結果（複数可）を含むことができる。一実施形態では、メモリ１０２は、１つ又は複数のモデル化技法（複数可）、１つ又は複数のシミュレーション技法（複数可）を保存することができ、これらの技法は、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサ１０４によって実行し、本明細書に記載の方法を実施する。
図１に関する図２は、本開示の一実施形態による、図１のシステム１００を使用して原子及び原子合金材料の構造及び特性を予測する方法の例示的流れ図を示す。一実施形態では、システム（複数可）１００は、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサ１０４に動作可能に結合された１つ又は複数のデータ保存デバイス又はメモリ１０２を備え、１つ又は複数のプロセッサ１０４によって方法のステップを実行する指示を保存するように構成されている。次に、図１に示すシステム１００の構成要素及び流れ図を参照しながら本開示の方法のステップを説明する。本開示の一実施形態では、ステップ２０２において、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサ１０４は、複数の原子（複数の原子は、「原子」とも呼び、以下、互換的に使用することができる）及び原子に対応する組成に関連する情報を受信する。原子及び原子に関連する組成は、合金材料に特異的であり、複数の原子は、１つ又は複数の金属原子、及び任意選択で１つ又は複数の非金属元素／１つ又は複数の非金属原子（例えば炭素）から構成される。
本開示の一実施形態では、ステップ２０４において、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサ１０４は、分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルを生成し、分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルは、情報に基づく複数の原子の同じ及び異なる原子相互作用の連続データを含む。一実施形態では、最初に生成する金属合金材料は、主に、その構造特性評価に関するＭＤシミュレーションによって調査することができる。本開示において、ＥＡＭ（原子埋め込み法）型ポテンシャル、又は複合ＥＡＭ＋ＬＪ（原子埋め込み法＋レナード−ジョーンズ）ポテンシャル、又はＴｅｒｓｈｏｆｆ型ポテンシャル等を使用し、ＭＤＰファイルを生成する。合金中に存在する元素に基づいてＭＤポテンシャル・ファイルが生成され、それに応じて使用される。一例示的実施形態では、生成したポテンシャルと組み合わせて、外部供給ＥＡＭ又は修正ＥＡＭポテンシャルを使用することもできる。本開示の一実施形態では、分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルは、情報に基づき、複数の原子のそれぞれに対する埋め込み関数、並びに複数の原子の対相互作用（例えば、原子番号１０と原子番号１５等の、２つのボディ又はマルチボディの相互作用）に関係する１つ又は複数のパラメータ（例えば、物理定数又はハンドブックから得られる力−距離曲線）を計算することによって生成する。
埋め込み関数及び対相互作用は、物理定数、スケール分析によって、及び基本原理、文献等からの入力を受信することによって得られる。元素の物理定数からの入力パラメータは、限定はしないが、凝集エネルギー、空位生成エネルギー、格子パラメータ、原子半径、２次弾性硬度定数、異方性比率等を含むことができ、これらは、埋め込み関数及び対原子相互作用の構築に利用される。
同様に、スケール分析からの入力は、限定はしないが、異なる基準、形状からの電子周囲の電子密度、埋め込み関数の傾向、及び文献からの異なる材料の対相互作用を含み、これらを比較、スケール化することができる。次に、この分析を使用し、調査中の新たな系のための埋め込み関数及び対相互作用を生成する。
同様に、基本原理及び文献、Ｐｏｔｆｉｔプログラムからの入力を使用し、材料ハンドブック、及び原子埋め込み法（ＥＡＭ）、ＭＥＡＭ（修正原子埋め込み法）又はＬＪ型相互作用等に関する他の学術的刊行物を分析し、合金系及び多数の構成研究に対する未知の対相互作用、基本原理ベースのＭＤの開発のために適切に選択することができる。
ステップ２０６を参照すると、本開示の一実施形態では、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサ１０４は、構造平衡化（「構造平衡化技法」とも呼ぶ）を介して、ＭＤＰファイルの使用により、合金材料に特異的な複数の原子のそれぞれの関連組成に対する３次元（３Ｄ）構造ファイルを生成する。一実施形態では、３次元（３Ｄ）構造ファイルは、複数の原子及び原子に関連する種類のそれぞれに対する３Ｄ座標を含む。一実施形態では、３Ｄ構造ファイルの生成は、構造展開機構の最初の段階であり、最初に、現実的／仮定的な局所構造を、ＮＰＴ／ＮＶＴ／ＮＶＥベースのＭＤ又はＭＳ方法によって安定化／平衡化することができる。ＮＰＴは、一定の圧力及び温度を指し、ＮＶＴは、一定の体積及び温度を指し、ＮＶＥは、一定の体積及びエネルギーを指す。構造のための最初の入力は、金属材料の構成元素及びそれらの化学量論比を含むべきである。構造平衡化工程において、平均的な構造枠組の種類、例えば、固溶体（ＢＢＣ、ＦＣＣ又は六方最密充填（ＨＣＰ））、金属間合金、及びバルク金属ガラス（ＢＭＧ）を生成する。構造は、初期構造欠陥を含んでいても、含んでいなくてもよく、構造平衡化は、生成したＭＤポテンシャル・ファイルに基づき行う。
本開示の一実施形態では、ステップ２０８において、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサ１０４は、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する１つ又は複数のモンテ・カルロ・アプリケーションを介して、３Ｄ構造ファイル及び１つ又は複数の熱処理機構を使用して、展開最適化３Ｄ構造ファイルを生成する。展開最適化３Ｄ構造ファイルは、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つを含む。
１つ又は複数の熱処理機構を使用し、調査中の系の温度スケジュールをプログラム化するか又は表にし、構造を展開させることができる。熱処理スケジュールは、入力として１つ又は複数のモンテ・カルロ（ＭＣ）アプリケーションに供給する。ＭＣアプリケーション（複数可）（例えば、モンテ・カルロ（一種の統計標本化方法）と組み合わせたＭＤとも呼ぶ）を、システム１００によって実施、実行し、局所構造を展開させる。一実施形態では、ＭＣアプリケーション（複数可）は、自動的に実行するか、又はユーザ（複数可）からの１つ若しくは複数の入力（例えば、手動モード）によって実行することができる。一実施形態では、初期構造は、構造欠陥、例えば、転位、積層欠陥等を含んでいても、含んでいなくてもよい。一例示的実施形態では、線欠陥、転位等がない場合、ハードウェア・プロセッサ１０４は、更に、展開最適化３Ｄ構造ファイルに１つ又は複数の線欠陥及び転位を導入し、合金材料の構造展開及び機械的特性を予測するように構成することができる。展開した原子構造は、いくつかの固定ＭＣ間隔、又はユーザ（複数可）の裁量で保存することができる。
ＭＣアプリケーション（複数可）の自動モード動作の間、システム１００は、熱処理機構から温度入力を取得し、初期の局所構造を平衡化する。システム特異的ＭＤポテンシャルによるＮＰＴシミュレーションは、初期構造の平均格子パラメータ（ＬＰ）を表示することになり、このＬＰは、格子エネルギー・シミュレーション技法に転送することができる。高温熱処理スケジュールの場合、ＬＰは、安定格子構造に対するより低温のＮＰＴシミュレーションから数値を外挿することができる。
格子エネルギー・シミュレーション技法をシステム１００が実行すると、まず、格子エネルギーは、平均ＬＰ定数を保ちながら、共役勾配（ＣＧ）又はＨｅｓｓｉａｎ−ｆｒｅｅ ｔｒｕｎｃａｔｅｄ Ｎｅｗｔｏｎ （ＨＦＴＮ）等によって最小化することができる。構造を展開する間、シミュレーションする系が、１回の原子交換試行／原子を受けた場合、平均ＬＰが変化することがある。原子は、それらの前の位置に対して新たな位置に向けて交換される。原子は、あらゆる格子部位、近隣部位、他の下位格子又は格子間部位から無作為に選択することもできる。交換は、２つの原子の間、原子と空位との間、又は原子クラスタの間で行うことができる。原子交換以外に、異なる局所構造構成の間の交換を実施することができ、局所構造構成は、このＭＣアプリケーション（複数可）が異なる温度で稼働する間、連続的に展開することになる。２つの原子構成の間の交換は、規定値による確率によって容認することができ、規定値は、規定の自動方法として確立されたメトロポリス型ＭＣによって与えられる。１つの容認された原子交換の後、構造は、構造が展開するまで格子エネルギー最小化技法に再度転送される。
ＭＣアプリケーション（複数可）の手動（又はユーザ支援）モード動作を実行する間、システム１００は、
１．ＬＰを固定した状態の、ＣＧ／ＨＦＴＮ方法による格子エネルギー最小化
２．原子交換の間のユーザ定義ＮＰＴ／ＮＶＴ平衡化ステップのような複合ＭＣ技法
３．３つ以上の原子交換、レプリカ交換、クラスタ交換方法等
４．１つ又は複数の原子交換の間の間欠的なＮＰＴシミュレーションによる、ＬＰの緩和
の実施を可能にする。
ＭＣアプリケーション（複数可）のユーザ支援モード動作の間、原子は、以前の位置に対して新たな位置に向けて交換する。１つ又は複数の原子は、あらゆる格子部位、近隣部位、他の下位格子又は格子間部位から無作為に選択することもできる。交換は、２つの原子の間、原子と空位との間、又は原子クラスタの間で行うことができる。原子交換以外に、異なる局所構造構成の間の交換を実施することもでき、局所構造構成は、ＭＣアプリケーション（複数可）を異なる温度で稼働する間、連続的に展開することになる。２つの原子構成の間の交換は、メトロポリス／Ｇｌａｕｂｅｒ／Ｓｗｅｎｄｓｅｎ−Ｗａｎｇ等の種類のＭＣ基準から計算される確率によって容認することができる。
上記の技法を実行すると、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つを使用することによって、合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成に関係する１つ又は複数の特性を予測する。
原子位置出力は、ＭＣによりもたらされた構造の原子座標及び原子種を抽出することによって生じる。展開した局所構造の座標を後処理することによって、ＳＲＯ／ＳＲＣのあらゆる痕跡を特定することができ、局所歪み及び原子緩和による転位を定量化することができ、欠陥クラスタの展開、局所的化学組成の形態変化、構造展開シーケンス等を得ることができる。また、定方向の局所的組成の走査、ＳＲＯ／ＳＲＣ／ナノ沈殿の形態の定量化を実施することができる。
言い換えれば、原子位置出力は、複数の原子の局所的組成、複数の原子の短距離規則化（ＳＲＯ）／短距離クラスタ化（ＳＲＣ）、複数の原子の局所的原子構造の格子歪み、複数の原子の局所的原子構造の局所的歪み、１つ又は複数の欠陥、複数の原子のナノクラスタ、複数の原子の分布を含む１つ又は複数の形態変化、１つ又は複数の位相場（ＰＦ）パラメータ（例えば、マイクロ及びミリメートルのスケール・パラメータ（又はマルチスケールモデル化技法（複数可）））、複数の原子の位相若しくはクラスタの１つ又は複数の界面、合金材料の展開シーケンス、合金材料の構造展開のリアルタイムスケール予測の少なくとも１つを含む。
ＭＣ展開構造を分析することによって、格子ポテンシャル・エネルギー、ΔＨ（エンタルピーの変化）、ΔＧ（ギブズ自由エネルギーの変化）、ΔＳ（エントロピーの変化）、ＳＦＥ（積層欠陥エネルギー）、ＭＣシーケンスによる局所的な熱力学的変化、内部エネルギー及び音子等の熱力学的特性を得ることができる。また、隣接する母材に対するＳＲＯ／ＳＲＣ／ナノ沈殿の界面エネルギーを定量的／半定量的に得ることができる。
言い換えれば、熱力学的出力は、複数の原子の格子ポテンシャル・エネルギー、複数の原子のエンタルピーの変化、複数の原子のギブズ自由エネルギーの変化、及び複数の原子のエントロピーの変化、複数の原子の積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）、複数の原子の局所的熱力学変化、及び複数の原子の音子の少なくとも１つを含む。
システム１００は、分子動力学を用いずに特性を予測することを更に可能にする。特定の機械的特性は、更なるＭＤシミュレーションを一切実施せずに得ることができる。このことは、合金母材のＳＲＯ／ＳＲＣ／ナノ沈殿、数密度、相対形態及び分散の生成による追加の強化を含むことができる。また、積層欠陥エネルギー、局所格子歪み及び格子ポテンシャル・エネルギーの変動等により、合金の機械的特性について定量的／半定量的情報を提供することができる。
一実施形態では、ＭＣ展開構造は、ＳＲＯ／ＳＲＣ又はナノ沈殿を含むことができ、これにより、合金に追加の強度を加えることができる。展開構造の局所的ポテンシャル・エネルギーの変化は、ＭＣ前の初期の構造に対して比較される。この内部ポテンシャル・エネルギーの変化は、強化効果に関連し得る。また、「原子位置出力」から得たナノ沈殿／ＳＲＯの間の平均サイズ及び間隔は、転位活動による強化効果に関連し得る。
ＭＣシミュレーション、位相場及び微細構造モデル化パラメータによるＳＲＯ／ＳＲＣ／ナノ沈殿の成長又は展開を示す系は、マルチスケール微細構造モデル化に重要である。ＳＲＯ／ＳＲＣ／ナノ沈殿の「界面エネルギー」、及びそれらの形態「異方性強度」を位相場モデル化に利用することができる。また、ＳＲＯ／ＳＲＣ／ナノ沈殿の成長及び局所的組成の態様は、セル・オートマトン等のようなマルチスケールモデル化方法によって、より大型のミクロン・スケールの微細構造のためにモデル化することができる。
システム１００は、原子構造のシミュレーションによって、分子動力学による特性予測を可能にするものであり、原子構造は、異なる種類の特性予測に適用可能な異なる種類のＭＤ法によって得られる。これらの予測特性は、例えば、限定はしないが、強化効果、転位移動性、破断、塑性、凝集域モデル化（ＣＺＭ）、ナノ圧入、摩耗、及び放射線／欠陥損傷に関連する特性等の種類とすることができる。
言い換えれば、分子動力学による特性予測は、（ｉ）線欠陥及び転位の追加、（ｉｉ）変形応力印加（複数可）の実行、（ｉｉｉ）強化出力の使用、（ｉｖ）破断面／界面の生成、（ｖ）破断／剥離応力印加（複数可）の実行、（ｖｉ）破断関連出力の使用、（ｖｉｉ）圧入シミュレーションの実行、（ｖｉｉｉ）引掻きシミュレーションの実行、（ｉｘ）摩耗特性の使用、（ｘ）粒子衝突、（ｘｉ）放射線損傷等によって実施することができる。
線欠陥及び転位の追加：刃状、らせん状又は混合転位等の線欠陥を生成し、他の構造欠陥、例えば、空位又は格子間ループを導入する。
変形応力印加の実行：上記で説明したように生成した転位を移動させることによって、金属／合金の機械的特性を得ることができる。応力印加は、底面原子を固定したまま、せん断モードで上面原子に対して実行し、シミュレーションを行う系に転位移動をかけることができ、必要なせん断応力レベルを得ることができる。
強化出力：強化とは、複合則からの純元素による変形応力の予測に対する、調査した材料の変形応力の比率を指す。強化の測定値は、転位移動又はナノ圧入等を含むシミュレーションから得ることができる。また、様々に印加した応力レベルにおける転位移動速度は、転位移動度パラメータをもたらし、転位移動度パラメータは、転位動力学及び結晶塑性を伴うマルチスケールモデル化に有用であり得る。一例示的実施形態では、得られた結果は、本質的に定量的又は半定量的であり得る。
破断面／界面の生成：調査中、系内に切欠きを生成し、破断及び２材料界面を生成し、破断／剥離を調査することができる。切欠きは、特定の結晶入力方向で、一部の原子を除去することによって生成することができる。
破断／剥離応力印加の実行：破断シミュレーションのため、様々なユーザ入力負荷方向及びモードで原子構造に応力を印加する。反対の面の原子を固定したまま、張力又はせん断応力を一部の特定の表面原子に印加することができる。
破断関連出力：切欠き及び界面で応力を印加することによって、様々な結晶方位及び応力負荷モードに関する応力対変形／剥離曲線を得ることができる。このことは、破断エネルギー、及び剥離に対するＣＺＭエネルギー、延性の表示等に対する定量的／半定量的な概念を与える。破断応力を印加する間の原子構造の変化は、構造座標を保存することによって捉えられる。このことは、破断／剥離の局所的な応力レベル、及び／又は応力下のあらゆる局所的な構造位相変換を表示する。検討中の系の変形／破断は、ナノ圧入シミュレーションによって行うこともでき、塑性及び破断についての定量的／半定量的概念も圧入から得ることができる。
圧入シミュレーション：非スケール圧入シミュレーションにおいて、相互に硬質な群の原子／金属原子圧入体は、１つのブロックとして働き、合金材料は、第２のブロックとして扱うことができる。第１の原子ブロックは、変位させる／外力を加えることによって第２のブロックの上に押圧／圧入することができる。第２の原子ブロック上に結果として生じた原子の移動は、３Ｄ座標及び内部応力のために保存する。局所的座標及び内部応力から得られた塑性変形状態は、強化、塑性及び破断靭性に関連する出力に転送する。
引掻きシミュレーション：ナノスケール引掻きシミュレーションは、原子を２つの群、即ち、引掻き圧入体及び被調査合金に分割することによって実施することができる。「圧入シミュレーション」と同様に、第１の原子ブロックは、変位させる／外力を加えることによって第２のブロックの上に押圧／圧入することができる。次に、第１の圧入体ブロックを、第２の原子ブロックの長さ部に向かって側方に変位させる。圧入体を変位させる間、原子座標を保存し、圧入体による塑性変形及び材料引上げを考慮する。
摩耗特性：系の原子構造座標は、「引掻きシミュレーション」技法により生成する。圧入体による内部／表面塑性変形及び材料引上げを分析することによって、耐摩耗特性の定量的／半定量的測定値が得られる。
粒子衝突：このシミュレーション技法は、金属／合金の原子構造のブロック／表面に向けて、異なる質量及びエネルギーの原子／粒子を衝突させる現象のシミュレーションを可能にする。ここで、ユーザ（複数可）は、粒子衝突パラメータ、例えば、粒子の質量、角度、速度等を規定することができる。考慮中の系の原子座標を保存し、更に、放射線損傷を分析する。やはり、出力構造を「モンテ・カルロ・アプリケーション（複数可）」に結合し、局所的な構造展開を促進することができる。
放射線損傷：粒子衝突技法からの構造座標データを取得し、原子座標を分析し、「粒子衝突」によって生成した局所的構造欠陥／放射線損傷の種類を指摘する。放射線損傷の定量化は、合金原子構造内に生成された空位／格子間部位／空位ループ／局所的積層欠陥の数に基づく。
上記シミュレーション技法に対する実験の検証：
本開示では、構造展開及び特性予測は、十分に特性決定された等原子Ｔａ0.25Ｎｂ0.25Ｈｆ0.25Ｚｒ0.25高エントロピー合金（ＨＥＡ）系（又は構造）を検査した。この合金は、高融解温度耐火性元素を含有し、この種のＨＥＡは、機能的及び航空宇宙用途等の高温・高強度材料に適した有望な候補である。高温焼鈍に対する平均構造種、格子パラメータ及び局所的な実際の構造、局所的な化学組成を十分に特性決定した。硬度、強度及び伸度等の機械的特性に対する長期の焼鈍熱処理の影響も実験的に測定した。
上記のケースのシナリオにおいて、「構造展開」は、複合モンテ・カルロ（ＭＣ）アプリケーション（複数可）によって昇温／高温で実行した。次に、様々な種類のＳＲＣを含む、展開した構造を「特性予測」に転送し、組成、熱力学及び機械的強化に関連する特性を抽出した。
モデル構造の入力、及び適用した方法
上記のケースのシナリオにおいて、シミュレーション方法は、高エントロピー合金Ｔａ0.25Ｎｂ0.25Ｈｆ0.25Ｚｒ0.25局所的ナノ構造の展開、及び以下で説明する、ナノ構造の構成金属に対するナノ構造のパイエルス応力／臨界分解せん断応力（ＣＲＳＳ）の評価の比較に利用した。以下の項では、初期構造に関連する要件、局所的な構造展開及び特性予測に適用する方法を説明する。
構造の入力：
この構造展開及び特性予測技法を開始するために、合金の平均構造種、全体的な化学組成、（このプログラムによって生成する／外部から供給することができる）ＭＤポテンシャル、及び熱処理温度が必要である。実験により得た格子パラメータ（ＬＰ）３．４３Åを合金材料の開始値として選択した。初期ＬＰは、Ｖｅｇａｒｄ則／Ｚｅｎ則を使用して、元素格子パラメータ又は原子容の複合則から取得することができる。合金系は、１１６６４個の原子を含有する＜１ ０ ０＞型方向に配向する寸法１８×１８×１８単位のスーパーセルの生成によって生成した。この固溶体構造の原子位置は、乱数の生成によって統計的に無作為に分散する適切な原子組成の固溶体構造を割り当てた。更に、Ｘ：［１ １ １］、Ｙ：［−１ １ ０］及びＺ：［−１ −１ ２］方向に配向する別の構造を生成し、この構造は、本質的に、すべり方向［１ １ １］及び刃状転位すべり面（−１ １ ０）に沿って配向している。この第２の構造の原子は、４８０００個であった。これらの構造の両方は、局所的な構造展開を受け、次に、特性予測部に送信した。しかし、初期構造は、無作為な規則又は何らかの予め定義されたＳＲＯ／ＳＲＣ規則で原子を含有することができる。構造は、線欠陥のような欠陥（刃状、らせん若しくは混合転位）又は空位ループ若しくは格子間原子のような構造欠陥を含有することもできる。
分子静力学／動力学的シミュレーションのために、ＥＡＭ型ポテンシャルが必要であり、ＥＡＭ型ポテンシャルは、本質的に３つの部：埋め込み関数、対相互作用、及び原子周囲の電子密度から構成される。ポテンシャルは、上記の説明で述べた元素Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＺｒに関連する正確な物理的パラメータ、例えば、凝集エネルギー、非緩和空位生成エネルギー、格子パラメータ、原子半径、２次弾性硬度定数、異方性比率、適切な対相互作用式からの入力を取得することによって生成した。
構造展開方法（複数可）
初期化した構造を、熱処理機構（複数可）からの更なる入力と共にモンテ・カルロ・アプリケーション（複数可）に送信した。初期化したＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料を２０００Ｋ温度で熱処理焼鈍にかけた。このため、初期平均構造のＬＰが調節された。１１６６４個の原子を含有する合金材料を１００ｐｓシミュレーション時間の間、２００〜１５００Ｋの広範な個別の温度範囲でＮＰＴ平衡化にかけた。次に、得られた合金格子パラメータを回帰によって当てはめ、更に、熱膨張係数の定量的／半定量的推測が得られた。２０００Ｋで焼鈍する合金のＬＰは、データ当てはめ外挿線形曲線から得た。
次に、上記の構造を、注目温度のために新たに当てはめたＬＰと共に再度生成した。この後、モンテ・カルロ（ＭＣ）・アプリケーション（複数可）機構を利用した。上記再生成した構造は、共役勾配法の使用によるエネルギー最小化を受け、考慮中の系のポテンシャル・エネルギーを記録した。次に、２つの無作為原子を選び、これらの位置を入れ替え（又は交換し）、検討中の系を最小化工程にかけた。ポテンシャル・エネルギーを再度記録し、次に、ポテンシャル・エネルギー値に基づくメトロポリス型ＭＣ基準に従ってこの原子交換を容認又は拒絶した。ＬＰは、全てのエネルギー最小化及びＭＣ交換手順において一定のままであった。原子交換試行数が約５２４８８０回になるまで、この工程を繰り返した。
特性予測方法（複数可）
上述の方法からの展開構造は、原子座標及び元素種を含む。シミュレーションを行った構造の局所的組成展開は、ＳＲＯ／ＳＲＣ／ナノ沈殿生成により定量的／半定量的に計算することができる。このことは、上記したように、ビンの幅３Å内で空間座標を分割することによって、ＴａＮｂＨｆＺｒ合金のために行う。次に、各ビン内の各元素種の原子数を計数し、原子画分、したがって局所的組成を得る。
ＭＣステップの稼働又は実行と共に、ＭＣアプリケーション（複数可）実行の間隔ごと／指定間隔の後、考慮中の系の内部ポテンシャル・エネルギーも保存した。次に、原子ごとのポテンシャル・エネルギーの相対的な変化を計算し、これにより、考慮中の系のエンタルピーの変化（ΔＨ）の測定値がもたらされた。構成エントロピーの変化（ΔＳconf）は、構造の局所的組成への走査、又は原子の局所的近隣構造に対する（ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ）（“ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ”は、“ｗ．ｔ．ｔ”とも表し、以下、交換可能に使用することができる）異なる種の間の結合数によって計算した。
調査中の合金の強化は、２つの主な経路によって決定することができる。１つ経路は、「ＭＤを用いない予測」であり、もう１つの経路は、更なる欠陥及び転位の導入による、上記した「ＭＤによる予測」である。このシナリオのケースでは、両方法とも簡単に調査されている。実験的に、２０７３ＫでのＴａＮｂＨｆＺｒの焼鈍を延長すると、硬度及び降伏強度（ＹＳ）がそれぞれ６５％及び７５％増大していることがわかった。実際の検証目的での実験は、シミュレーションで使用した温度にかなり近い温度（３．５％に近い温度）で実行した。このことは、ＳＲＣによる、局所的格子ポテンシャル・エネルギー／エンタルピーの変化によって説明することができ、ＳＲＣは、実験による特性決定及びＭＣ構造展開シミュレーションによって発見される。
合金の初期の生成段階における長期焼鈍による強化以外に、元素構成の複合則から得られる強度値に対し約４．９倍の強化がわかった。この固溶体硬化現象は、一般に観察されるすべり面への刃状転位の導入、及びすべり方向へのせん断応力の印加によって説明した。純元素、並びに無作為固溶体合金、及びＳＲＣを含む展開構造に対し、転位移動／すべりに必要な応力のシミュレーションを行い、記した。全ては、上記した「ＭＤによる特性予測」の下、第２のセットのＭＤシミュレーションによって行った。
シミュレーション結果の検証出力
本項のケースのシナリオでは、この構造展開及び特性予測技法からのシミュレーション結果を、実験で得たＴａＮｂＨｆＺｒ合金系の特性決定及び測定値と比較した。シミュレーション結果及びこれらの検証を例示的実施形態（複数可）により以下のように提示する。
構造展開
ＭＤポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルの作成／生成：
この合金のために生成／作成したＥＡＭ型ＭＤポテンシャル・ファイルは、正確／適切な元素入力パラメータ、例えば、限定はしないが、凝集エネルギー、非緩和空位生成エネルギー、格子パラメータ、原子半径、２次弾性硬度定数、適切な対相互作用式に基づくものであった。以下の表１は、合金のＥＡＭポテンシャル・ファイル（又はＭＤＰファイル）を表にする際に行った入力を示す。
Figure 2020030796
上記の表１において、Ｅcは凝集エネルギーであり、Ｅfは非緩和空位生成エネルギーであり、Ｃ11、Ｃ12及びＣ44は立方晶系の２次弾性定数である。
熱処理機構（複数可）：
熱処理／焼鈍温度を（ユーザが選択する）入力として与えた。焼鈍温度は、一定に保っても、構造展開シーケンスごとに変更させてもよい。ここで、考慮中の系を２０００Ｋで展開した。焼鈍温度は一定に保ち、ＭＣ構造展開は、約４５回の原子交換試行が行われるまで実行した。
初期構造平衡化：
まず、調査中の合金組成の格子パラメータを初期構造平衡化技法で決定した。あらゆる所与の加熱処理温度に対する合金の平均ＬＰを得た。図１から図２に関する図３は、本開示の一実施形態による、様々な温度に対する合金材料（例えばＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料）の格子パラメータ（ＬＰ）を示す近似直線曲線グラフを示す。２０００Ｋの焼鈍で決定した平均構造ＬＰは３．５２Åであった。
初期格子パラメータを固定した状態で、寸法約６．３×６．３×６．３ｎｍ3の１１６６４個の原子を含有する合金材料スーパーセルを作製（又は生成）した。図１から図３に関する図４は、本開示の一実施形態による、固溶体が統計学的に無作為に分布した合金材料の金属原子を含有する最初の空間構成を示す。図４において、それぞれ、元素Ｔａを小さな黒点（・）で表し、元素Ｎｂをプラス記号（＋）で表し、元素Ｈｆをわずかに大きな黒点（・）で表し、元素Ｚｒを正方形中実ブロックで表す。
システム１００によるモンテ・カルロ・アプリケーション（複数可）の実行：
ここで、ＭＣシミュレーションの自動構造展開モードを選択し、いくつかのＭＣ原子交換の後、構造を図５及び図６で示すように提示した。ここで、構造展開のＭＣシミュレーションは、２０００Ｋで実施した。図５及び図６は、短距離クラスタ化の展開に関する視覚的印象が与えられるように連続的に配置し、局所的に、Ｚｒ濃度は大部分で高く、Ｈｆ濃度は部分的に高い。より詳細には、図１から図４に関する図５は、本開示の例示的実施形態による、ＴａＮｂＨｆＺｒの局所的原子構造を示し、この原子構造は、１４回のＭＣ交換試行／原子まで２０００Ｋで展開したものである。より詳細には、図１から図５に関する図６は、本開示の例示的実施形態による、ＴａＮｂＨｆＺｒの局所的原子構造を示し、この原子構造は、２８回のＭＣ交換試行／原子まで２０００Ｋで展開したものである。Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＺｒ原子（又は原子若しくは化学元素）を図５及び図６に示す異なる記号により記す。図５及び図６において、それぞれ、元素Ｔａを小さな黒点（・）で表し、元素Ｎｂをプラス記号（＋）で表し、元素Ｈｆをわずかに大きな黒点（・）で表し、元素Ｚｒを正方形中実ブロックで表す。構造展開シーケンスは、原子ごとのＭＣ交換試行数によって表される。言い換えれば、図５及び図６は、原子ごとに１４回及び２８回のＭＣ交換試行を行った、局所的展開加熱処理構造を示す。周期的な近隣構造を有する原子構造を図示した。これにより、ＳＲＣ効果、組成効果、及び指向性効果が見える。様々な記号を有する異なる構成元素の作図の方式は、図４の図と同じままである。
構造出力：
構造展開のためのＭＣアプリケーション（複数可）を稼働する間、原子座標ファイルをいくつかの間隔で保存した。これらの構造出力ファイルには、データ・ファイルとして、全原子の３Ｄ空間座標及びそれらの元素種及び原子識別番号があった。また、ＭＣアプリケーションのシミュレーション全体、又はＭＣアプリケーション（複数可）の実行を通して、交換原子の内部ポテンシャル・エネルギー、ＭＣ交換確率及び原子識別番号を記録した。
特性予測：
原子位置出力：
３Ｄ原子座標及び個々の原子種をデータ・ファイルとして保存し、最初に、原子を様々なデータ記号で視覚化した。図５及び図６を一瞥すると、Ｚｒ及びＨｆ原子は、一緒にクラスタ化する傾向がある一方で、Ｚｒはこの傾向をより多く示すことがわかる。シミュレーションを行った系全体は、相互接続した指向性ＳＲＣを緩やかに形成し、このＳＲＣは、結晶面の｛１ ０ ０｝セット内に出現している。同様のナノ構造特徴は、実験的に加熱処理したＴａＮｂＨｆＺｒ合金の高解像度透過型電子顕微鏡写真でも発見された。図１から図６に関する図７Ａは、本開示の例示的実施形態による局所的構造領域状特徴部を示し、この特徴部は、１日間焼鈍した合金の短距離クラスタ化（ＳＲＣ）によって生成したものである。図１から図７Ａに関する図７Ｂは、本開示の例示的実施形態による局所的構造領域状特徴部を示し、この特徴部は、４日間焼鈍した合金の短距離クラスタ化（ＳＲＣ）によって生成したものである。図７Ａ及び図７Ｂの挿入写真において、選択領域電子回折（ＳＡＥＤ）パターン（７０２で示す）も含まれ、このパターンは、平均体心立方構造の主な点パターン、及び更には一部の拡散線（図７Ａの小さな合金により示す）を示し、拡散線は、指向性ＳＲＯ／ＳＲＣの存在を表示する。
図７Ａ及び図７Ｂに示す高解像度透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）画像は、システム１００が実行、実施したＭＣアプリケーション（複数可）による展開構造シミュレーションとの顕著な類似点を示す。ナノ構造のシミュレーションと実験との間の類似性は、展開するＳＲＣの指向性、それらの漸進的成長及び相互接続性の点で見いだされた。上記のシミュレーション及び実験の図は、より長い焼鈍時間と共に、ＳＲＣは成長し、互いに接触し、これにより、合金母材が立方体状局所領域に分割されることを示す。
焼鈍ＴａＮｂＨｆＺｒ合金のＳＲＣにわたる局所的な元素の組成を、アトム・プローブ断層撮影法（ＡＰＴ）による組成マッピングから実験的に測定した。空間距離に対する、原子画分の組成走査を図８に示すように提示する。より具体的には、図１から図７Ｂに関する図８は、本開示の例示的実施形態による、平面ＳＲＣにわたる局所的原子画分を示すグラフを示し、局所的原子画分は、焼鈍したＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料に対するアトム・プローブ断層撮影法（ＡＰＴ）による再構築から実験的に得た。同様に、空間距離に対する、ＭＣ展開構造から得たＳＲＣにわたる局所的原子画分を図９に記す。より詳細には、図１から図８に関する図９は、本開示の例示的実施形態による、平面短距離クラスタ化（ＳＲＣ）にわたる局所的原子画分を示すグラフを示し、局所的原子画分は、焼鈍したＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料に対するモンテ・カルロ（ＭＣ）構造展開及びビニング分析から得た。ＭＣ展開構造からの局所的組成は、上記で説明したビニング分析を行うことによって抽出した。
実験及びシミュレーションの両方から、展開したＳＲＣは、周囲の合金母材と比較して、Ｚｒ濃度がかなり高く、Ｔａ及びＮｂ濃度は激減していることがわかる。また、実験及びシミュレーションの両方は、一定の度合いのＨｆとＺｒとの同時クラスタ化に対する類似性を示し、実験及びシミュレーションにおける局所的組成に対するＳＲＣの半値全幅（ＦＷＨＭ）も同等である（約１０Å）。
熱力学的出力（複数可）：
ＭＣアプリケーション（複数可）の実行によって構造を展開する間、各ＭＣ原子交換の後、ポテンシャル・エネルギーを記した。本当に最初の構成に対するポテンシャル・エネルギーの相対変化は、ここでは、熱力学的エンタルピーの変化（ΔＨ、単位：電子ボルト／原子）として示す。図１０は、原子ごとのＭＣ交換試行数に対する、２０００Ｋで展開したＴａＮｂＨｆＺｒ平均合金材料シミュレーションのΔＨの変化を示す。より詳細には、図１から図９に関する図１０は、本開示の例示的実施形態による、２０００ＫでＭＣ発展したＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料に対する熱力学的エンタルピーの変化を示すグラフを示す。
分子動力学（ＭＤ）を用いない予測
この種の特性予測において、合金材料は、更なる材料関連特性を予測するために更なるＭＤシミュレーションにかけなくてもよい。
ＳＲＯ／ＳＲＣによる強化：
実験により、図１１に示すように、ＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料を焼鈍すると、降伏強度は著しく上昇することがわかっている。より詳細には、図１から図１０に関する図１１は、本開示の例示的実施形態による、焼鈍時間に対するＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料の圧縮降伏強度及び伸度（破断までのピーク歪み）変化を示すグラフを示す。ここで、ＳＲＣの生成による格子エネルギーの変化を計算した。｛１ ０ ０｝型面にある１つの平面ＳＲＣを導入すると、格子ポテンシャル・エネルギーの局所的な変化は、６２ｍｅＶ／原子と計算された。このことは、転位移動に対する局所的な障壁の生成、したがって、追加の強化効果に影響を与え、この追加の強化効果は、１０７９ＭＰａと計算され、実験で測定した値９９５Ｍｐａに近い。
ＭＤによる予測：
この種の特性予測において、更なるＭＤ技法を、構造展開の項からのＭＣ展開構造に適用した。ここで、このケースのシナリオにおいて、ＴａＮｂＨｆＺｒ合金の合金強化効果を以下で説明するように分析した。
転位の追加：
異なるＭＣ展開構造において、ＢＣＣ構造内に共通して発生しているすべり方向［１ １ １］及び刃状転位すべり面（−１ １ ０）に刃状転位を導入した。転位の生成の詳細は、本明細書の上記で説明している。しかし、転位を導入する前、４８０００個の原子を有する合金及び純元素構造をその周期的な画像により複製し、考慮中の系（“ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ”）（“ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ”は、“ＳＵＣ”とも表し、以下、交換可能に使用することができる）の体積を元の体積から２×２×２＝８倍増大する。このことは、合金、例えば、Ｔａ及びＮｂ、初期の合金材料、及び更には焼鈍合金の純元素のために行った。Ｎｂ及び焼鈍ＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料内に生成された転位線をそれぞれ図１２及び図１３に示す。より詳細には、図１から図１１に関する図１２は、本開示の例示的実施形態による、純金属原子（例えば純Ｎｂ）に導入された刃状転位線を示す。図１から図１２に関する図１３は、本開示の例示的実施形態による、ＭＣ展開したＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料に導入された刃状転位線を示す。転位欠陥の連続線は、白色の原子で見える一方で、母材原子は、局所ＢＣＣ構造対称性を保持する灰色の原子の点である。合金内の転位線は、本質的に局所的に捩れているように見え、このことは、合金の局所的に歪んだ平均格子構造を示唆する／示す。
変形／せん断：
考慮の間、転位を導入し、次に、底面原子を固定したまま、せん断力を原子ブロックの上面上に印加した。この種類のＭＤシミュレーションは、構造展開度が異なる系に対し異なるせん断応力レベルで実行した。図１から図１３に関する図１４Ａ〜図１４Ｂは、本開示の例示的実施形態による、剪断応力印加中の（左から右への）転位線の移動を示す。より詳細には、図１４Ａ〜図１４Ｂは、５回のＭＣ交換試行／原子で展開したＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料ＭＣの（左から右方向への）刃状転位の移動を示す。臨界分解せん断応力（ＣＲＳＳ）と呼ばれる、転位を移動させるのに必要な最小せん断応力を研究中（又は考慮中）の全ての系で記した。転位核は、局所的格子歪みのために捩れたままである。更に、転位線は、展開ＳＲＣとの相互作用のため、その初期の線形の性質から逸脱し、かなりジグザグの性質になる。
強化特性：
５０Ｋで得た、異なる純元素及び展開合金系のＣＲＳＳ値を表２に表す。表２は、合金強化効果の定量的／半定量的測定値を示す。実験では、初期の硬度及び圧縮降伏強度はそれぞれ、ＴａＮｂＨｆＺｒの合成条件として３５７５Ｍｐａ及び１３１５Ｍｐａであり、これらはそれぞれ、複合則から予期したものの２．４及び４．９倍（強化率）であることが観察された。焼鈍処理の後、降伏強度は、最大２３１０Ｍｐａに達した。同様に、ＭＤシミュレーションによる特性予測から得たＣＲＳＳ値（表２）から、値に同様の増加傾向があることがわかる。Ｔａ及びＮｂ等の純元素のＣＲＳＳ値のシミュレーションも行い、実験で得た値と比較し、強化率を計算した。Ｔａ及びＮｂに対するシミュレーションで得たＣＲＳＳ値と、実験値との近似は、開発したＥＡＭポテンシャルの良好さを示す。初期のＴａＮｂＨｆＺｒ合金材料のＣＲＳＳは、純元素のＣＲＳＳの２倍を超えることがわかる。また、合金のＣＲＳＳ値は、ＭＣ交換数／原子と共に増加し続けている。このことは、ＳＲＣ増加量の生成による合金の更なる強化効果に対応し、このことは、実験的に見いだされ、図１１に示される。
Figure 2020030796
本明細書は、当業者が実施形態を製作し、使用することが可能になるように主題を説明するものである。主題の実施形態の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の修正形態を含むことができる。そのような他の修正形態は、特許請求の範囲の文字通りの文言とは異ならない同様の要素を有する場合、又は文字通りの文言と実質的に異ならない等価要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図する。
しかし、保護の範囲は、そのようなプログラム、及び更にはプログラムのメッセージを有するコンピュータ可読手段まで拡大され、そのようなコンピュータ可読手段は、プログラムをサーバ又はモバイル・デバイス又は任意の適切なプログラム可能デバイス上で稼働させる際に、方法の１つ又は複数のステップを実施するプログラム・コード手段を含むことは理解されよう。ハードウェア・デバイスは、プログラム可能なあらゆる種類のデバイスとすることができ、例えば、サーバ若しくはパーソナル・コンピュータ等のようなあらゆる種類のコンピュータ、又はそれらの組合せを含む。デバイスは、手段も含むことができ、例えばハードウェア手段、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、又はハードウェア手段とソフトウェア手段との組合せ、例えば、ＡＳＩＣ及びＦＰＧＡ、又は少なくとも１つのマイクロプロセッサ、及びデバイスの中に位置するソフトウェア・モジュールを有する少なくとも１つのメモリとすることができる。したがって、手段は、ハードウェア手段及びソフトウェア手段の両方を含むことができる。本明細書で説明する方法の実施形態は、ハードウェア及びソフトウェア内に実装することができる。デバイスは、ソフトウェア手段も含むことができる。代替的に、実施形態は、例えば複数のＣＰＵを使用して様々なハードウェア・デバイス上に実装することができる。
本明細書の実施形態は、ハードウェア要素及びソフトウェア要素を備えることができる。ソフトウェア内に実装する実施形態は、限定はしないが、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含む。本明細書で記載する様々なモジュールによって実施する機能は、他のモジュール又は他のモジュールの組合せにおいて実施することができる。この説明の目的で、コンピュータ使用可能媒体又はコンピュータ可読媒体は、指示実行システム、装置又はデバイスが使用するか又はこれらに関連するプログラムを備え、保存、通信、伝搬又は移送するあらゆる装置とすることができる。
ステップの説明は、図示の例示的実施形態を説明するために示し、進行中の技術開発により、特定の機能を実施する様式が変更されることは予期されるはずである。こうした例は、例示のために本明細書で提示するものであり、限定するものではない。更に、機能的な基本構成要素の境界は、説明の便宜上、本明細書において任意に定義されている。特定の機能及び機能関係が適切に実施されるかぎり、代替的な境界を定義することができる。代替形態（本明細書に記載するものの等価物、拡張形態、変形形態、変形体等を含む）は、本明細書に含まれる教示に基づき、当業者には明らかであろう。そのような代替形態は、開示する実施形態の趣旨及び範囲内にある。また、語「備える」、「有する」、「含有する」及び「含む」並びに他の同様の形態は、意味が同等であり、これらの語のいずれか１つに続く１つ若しくは複数の項目がそのような１つ若しくは複数の項目の網羅的なリストではないという点で無制限であることを意図する、又は列挙した１つ若しくは複数の項目のみに限定されないことを意味する。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用する単数形「１つの（ａ、ａｎ及びｔｈｅ）」は、文脈が別段に明確に規定しない限り、複数の言及を含むことにも留意されたい。
更に、１つ又は複数のコンピュータ可読記憶媒体は、本開示に一致する実装形態において利用することができる。コンピュータ可読記憶媒体は、プロセッサが読取り可能な情報又はデータを保存することができる任意のタイプの物理メモリを指す。したがって、コンピュータ可読記憶媒体は、本明細書に記載の実施形態に一致するステップ又は段階をプロセッサ（複数可）に実施させる指示を含め、１つ又は複数のプロセッサを実行させる指示を保存することができる。用語「コンピュータ可読媒体」は、有形物品を含み、搬送波及び過渡信号を除外する、即ち、非一時的であることは理解されよう。例は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、ハード・ドライブ、ＣＤ ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュ・ドライブ、ディスク、及びあらゆるほかの公知の物理的記憶媒体を含む。
本開示及び例は、例と見なされるにすぎず、真の範囲及び趣旨は、以下の特許請求の範囲によって示すことを意図する。

Claims (15)

  1. プロセッサ実装方法であって、前記方法は、
    １つ又は複数のハードウェア・プロセッサを介して、合金材料に特異的な複数の原子、及び原子に関連する組成の少なくとも１つに関係する情報を受信することであって、前記複数の原子は、１つ又は複数の金属原子から構成される、受信すること（２０２）；
    前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサを介して、前記情報に基づき、前記複数の原子の同じ及び異なる原子相互作用の連続データを含む分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルを生成すること（２０４）；
    前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する構造平衡化を介して、前記ＭＤＰファイルの使用により、前記合金材料に特異的な複数の原子のそれぞれに関連する組成のための３次元（３Ｄ）構造ファイルを生成することであって、前記３次元（３Ｄ）構造ファイルは、前記複数の原子及び原子に関連する種類のそれぞれに関する３Ｄ座標を含む、生成すること（２０６）；並びに
    前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する１つ又は複数のモンテ・カルロ・アプリケーションを介して、前記３Ｄ構造ファイル及び１つ又は複数の熱処理機構の使用により、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つを含む展開最適化３Ｄ構造ファイルを生成すること（２０８）
    を含み、前記合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成に関係する１つ又は複数の特性は、前記原子位置出力及び前記熱力学的出力の少なくとも１つの使用により予測される、方法。
  2. 前記合金材料の構造展開及び機械的特性を予測するため、前記展開最適化３Ｄ構造ファイルに１つ又は複数の線欠陥及び転位を導入することを更に含む、請求項１に記載のプロセッサ実装方法。
  3. 前記分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルは、前記情報に基づき、前記複数の原子、及び前記複数の原子の対相互作用に関係する１つ又は複数のパラメータのそれぞれに対する埋め込み関数を計算することによって生成される、請求項１に記載のプロセッサ実装方法。
  4. 前記原子位置出力は、前記複数の原子の局所的組成、前記複数の原子の短距離規則化（ＳＲＯ）／短距離クラスタ化（ＳＲＣ）、前記複数の原子の局所的原子構造の格子歪み、前記複数の原子の局所的原子構造の局所的歪み、１つ又は複数の欠陥、前記複数の原子のナノクラスタ、前記複数の原子の分布を含む１つ又は複数の形態変化、１つ又は複数の位相場（ＰＦ）パラメータ、前記複数の原子の位相若しくはクラスタの１つ又は複数の界面、前記合金材料の展開シーケンス、前記合金材料の構造展開のリアルタイムスケール予測の少なくとも１つから構成される、請求項１に記載のプロセッサ実装方法。
  5. 前記熱力学的出力は、前記複数の原子の格子ポテンシャル・エネルギー、前記複数の原子のエンタルピーの変化、前記複数の原子のギブズ自由エネルギーの変化、及び前記複数の原子のエントロピーの変化、前記複数の原子の積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）、前記複数の原子の局所的な熱力学的変化、及び前記複数の原子の音子の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のプロセッサ実装方法。
  6. システム（１００）であって、
    指示を保存するメモリ（１０２）；
    １つ又は複数の通信インターフェース（１０６）；並びに
    前記１つ又は複数の通信インターフェース（１０６）を介して前記メモリ（１０２）に結合された１つ又は複数のハードウェア・プロセッサ（１０４）
    を備え、前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサ（１０４）は、指示によって、
    合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成の少なくとも１つに関係する情報を受信することであって、前記複数の原子は、１つ又は複数の金属原子から構成される、受信すること；
    前記情報に基づき、前記複数の原子の同じ及び異なる原子相互作用の連続データを含む分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルを生成すること；
    前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する構造平衡化を介して、前記ＭＤＰファイルの使用により、前記合金材料に特異的な複数の原子のそれぞれに関連する組成のための３次元（３Ｄ）構造ファイルを生成することであって、前記３次元（３Ｄ）構造ファイルは、前記複数の原子及び原子に関連する種類のそれぞれに関する３Ｄ座標を含む、生成すること；並びに
    前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する１つ又は複数のモンテ・カルロ・アプリケーションを介して、前記３Ｄ構造ファイル及び１つ又は複数の熱処理機構の使用により、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つを含む展開最適化３Ｄ構造ファイルを生成すること
    を行うように構成され、前記合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成に関係する１つ又は複数の特性は、前記原子位置出力及び前記熱力学的出力の少なくとも１つの使用より予測される、システム（１００）。
  7. 前記ハードウェア・プロセッサは、前記合金材料の構造展開及び機械的特性を予測するため、前記命令によって、前記展開最適化３Ｄ構造ファイルに１つ又は複数の線欠陥及び転位を導入するように更に構成される、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルは、前記情報に基づき、複数の原子、及び前記複数の原子の対相互作用に関係する１つ又は複数のパラメータのそれぞれに対する埋め込み関数を計算することによって生成される、請求項６に記載のシステム。
  9. 前記原子位置出力は、前記複数の原子の局所的組成、前記複数の原子の短距離規則化（ＳＲＯ）／短距離クラスタ化（ＳＲＣ）、前記複数の原子の局所的原子構造の格子歪み、前記複数の原子の局所的原子構造の局所的歪み、１つ又は複数の欠陥、前記複数の原子のナノクラスタ、前記複数の原子の分布を含む１つ又は複数の形態変化、１つ又は複数の位相場（ＰＦ）パラメータ、前記複数の原子の位相若しくはクラスタの１つ又は複数の界面、前記合金材料の展開シーケンス、前記合金材料の構造展開のリアルタイムスケール予測の少なくとも１つから構成される、請求項６に記載のシステム。
  10. 前記熱力学的出力は、前記複数の原子の格子ポテンシャル・エネルギー、前記複数の原子のエンタルピーの変化、前記複数の原子のギブズ自由エネルギーの変化、及び前記複数の原子のエントロピーの変化、前記複数の原子の積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）、前記複数の原子の局所的熱力学変化、及び前記複数の原子の音子の少なくとも１つを含む、請求項６に記載のシステム。
  11. １つ又は複数の命令を含む１つ又は複数の非一時的機械可読情報記憶媒体であって、前記１つ又は複数の命令は、１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行すると、
    前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサを介して、合金材料に特異的な複数の原子及び原子に関連する組成の少なくとも１つに関係する情報を受信することであって、前記複数の原子は、１つ又は複数の金属原子から構成される、受信すること；
    前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサを介して、前記情報に基づき、前記複数の原子の同じ及び異なる原子相互作用の連続データを含む分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルを生成すること；
    前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する構造平衡化を介して、前記ＭＤＰファイルの使用により、前記合金材料に特異的な前記複数の原子のそれぞれに関連する組成のための３次元（３Ｄ）構造ファイルを生成することであって、前記３次元（３Ｄ）構造ファイルは、前記複数の原子及び原子に関連する種類のそれぞれに関する３Ｄ座標を含む、生成すること；並びに
    前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行する１つ又は複数のモンテ・カルロ・アプリケーションを介して、前記３Ｄ構造ファイル及び１つ又は複数の熱処理機構の使用により、原子位置出力及び熱力学的出力の少なくとも１つを含む展開最適化３Ｄ構造ファイルを生成すること
    をもたらし、前記合金材料に特異的な複数の原子及び原子関連する組成に関係する１つ又は複数の特性は、前記原子位置出力及び前記熱力学的出力の少なくとも１つの使用により予測される、１つ又は複数の非一時的機械可読情報記憶媒体。
  12. 前記命令は、前記１つ又は複数のハードウェア・プロセッサによって実行すると、前記合金材料の構造展開及び機械的特性を予測するため、前記展開最適化３Ｄ構造ファイルに１つ又は複数の線欠陥及び転位を導入することを更にもたらす、請求項１１に記載の１つ又は複数の非一時的機械可読情報記憶媒体。
  13. 前記分子動力学ポテンシャル（ＭＤＰ）ファイルは、前記情報に基づき、前記複数の原子、及び前記複数の原子の対相互作用に関係する１つ又は複数のパラメータのそれぞれに対する埋め込み関数を計算することによって生成される、請求項１１に記載の１つ又は複数の非一時的機械可読情報記憶媒体。
  14. 前記原子位置出力は、前記複数の原子の局所的組成、前記複数の原子の短距離規則化（ＳＲＯ）／短距離クラスタ化（ＳＲＣ）、前記複数の原子の局所的原子構造の格子歪み、前記複数の原子の局所的原子構造の局所的歪み、１つ又は複数の欠陥、前記複数の原子のナノクラスタ、前記複数の原子の分布を含む１つ又は複数の形態変化、１つ又は複数の位相場（ＰＦ）パラメータ、前記複数の原子の位相若しくはクラスタの１つ又は複数の界面、前記合金材料の展開シーケンス、前記合金材料の構造展開のリアルタイムスケール予測の少なくとも１つから構成される、請求項１１に記載の１つ又は複数の非一時的機械可読情報記憶媒体。
  15. 前記熱力学的出力は、前記複数の原子の格子ポテンシャル・エネルギー、前記複数の原子のエンタルピーの変化、前記複数の原子のギブズ自由エネルギーの変化、及び前記複数の原子のエントロピーの変化、前記複数の原子の積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）、前記複数の原子の局所的熱力学変化、及び前記複数の原子の音子の少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の１つ又は複数の非一時的機械可読情報記憶媒体。

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114089762A (zh) * 2021-11-22 2022-02-25 江苏科技大学 一种基于强化学习的水空两栖无人航行器路径规划方法

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111323079B (zh) * 2020-03-04 2022-05-06 金华职业技术学院 非晶合金材料综合性能检测方法
CN111326220B (zh) * 2020-04-16 2023-08-15 重庆大学 一种高强韧锆钛基合金的设计方法
CN111554354B (zh) * 2020-04-21 2023-03-24 湘潭大学 一种偏置电场下重离子辐射碳化硅二极管的损伤分析方法
CN111681721B (zh) * 2020-05-11 2022-07-29 季华实验室 一种多晶体金属材料的屈服准则获取方法
CN111783284B (zh) * 2020-06-15 2021-12-03 北京科技大学 一种用于模拟核反应堆关键材料位错运动的并行求解方法
CN111933226B (zh) * 2020-06-19 2024-05-14 江苏师范大学 一种基于分级分类模型的人工智能筛选材料方法
CN111785337B (zh) * 2020-07-07 2024-04-30 山东大学 一种基于原子构型的合金分类方法及系统
CN111816261B (zh) * 2020-07-13 2024-04-05 西安建筑科技大学 一种调幅分解分布的分子动力学几何模型构建方法
CN112084622B (zh) * 2020-07-28 2023-06-23 浙江师范大学 复合材料微观形貌的模拟方法、装置和电子装置
CN112185488B (zh) * 2020-09-30 2023-08-18 中南大学 基于数据驱动多组元镍基高温合金γ`相演化的预测方法
CN112349352B (zh) * 2020-11-06 2022-05-27 福州大学 基于原子占位有序化行为的高熵合金晶格畸变量计算方法
CN112635000B (zh) * 2021-01-07 2022-05-27 福州大学 基于原子占位有序化行为的高熵合金构型熵的计算方法
CN113094885B (zh) * 2021-03-31 2022-07-15 湖南大学 含缺陷结构高熵合金强度预测方法
CN114528698B (zh) * 2022-01-25 2024-06-14 北京应用物理与计算数学研究所 含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法
CN115221674A (zh) * 2022-05-09 2022-10-21 北京理工大学 一种具有定制化力学响应的异质点阵优化设计方法
CN114662346B (zh) * 2022-05-24 2022-08-09 山东大学 一种半导体激光器中位错扩展特性的模拟预测方法
CN115472248B (zh) * 2022-09-23 2023-06-13 哈尔滨工业大学 一种CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法
CN115881249B (zh) * 2022-09-23 2023-07-21 哈尔滨工业大学 一种基于分子动力学模拟的非晶合金自由能计算方法
KR20240054041A (ko) * 2022-10-18 2024-04-25 주식회사 Lg 경영개발원 인공지능 기반의 혼합물 물성 예측 장치, 방법 및 프로그램

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09259156A (ja) * 1996-03-21 1997-10-03 Hitachi Ltd 材料設計方法およびその方法を行う材料設計装置
JP2002328961A (ja) * 2001-04-27 2002-11-15 Fuji Research Institute Corp タスクフローを用いた解析支援システムおよび物質・材料設計支援システムおよび解析支援方法および物質・材料設計支援方法
US20020188373A1 (en) * 2001-03-28 2002-12-12 Goddard William A. De novo processing of electronic materials
US20030229865A1 (en) * 2002-06-11 2003-12-11 Sergei Bakarian Method for eliminating false failures saved by redundant paths during circuit area analysis on an integrated circuit layout
JP2004526316A (ja) * 2001-03-12 2004-08-26 ピー・デイ・エフ　ソリユーシヨンズ　インコーポレイテツド 欠陥の密度およびサイズ分布の抽出方法
JP2004258814A (ja) * 2003-02-24 2004-09-16 In-Silico Science Inc タンパク質構造予測装置、タンパク質構造予測方法、プログラム、および、記録媒体
JP2006282929A (ja) * 2005-04-04 2006-10-19 Taiyo Nippon Sanso Corp 分子構造予測方法
JP2008040673A (ja) * 2006-08-03 2008-02-21 Sumitomo Heavy Ind Ltd 原子配置シミュレーション方法、原子配置シミュレーション装置、原子配置シミュレーションプログラム、及び該プログラムを記録した記録媒体
CN104778329A (zh) * 2015-04-24 2015-07-15 中国石油大学(华东) 一种分析co2/ch4在褐煤中吸附机理的方法
JP2016024178A (ja) * 2014-07-24 2016-02-08 横浜ゴム株式会社 特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、特定物質のシミュレーション方法及び特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラム

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997046949A1 (fr) * 1996-06-07 1997-12-11 Hitachi, Ltd. Systeme de modelisation moleculaire et procede de modelisation moleculaire
JPH10334076A (ja) * 1997-05-29 1998-12-18 Nec Corp 分子動力学法における温度制御方法
US20030216867A1 (en) 2002-03-26 2003-11-20 Campbell Phil G. Methods and systems for molecular modeling
JP3909054B2 (ja) * 2003-12-05 2007-04-25 核燃料サイクル開発機構 規則構造合金等の照射環境下での供用条件判定方法
CN104392933B (zh) * 2007-08-21 2017-11-07 加州大学评议会 具有高性能热电性质的纳米结构
US20100250219A1 (en) * 2007-09-11 2010-09-30 The University Of Akron Methods and systems for accurate simulation of surfaces and interfaces of fcc metals
CN101957285A (zh) 2009-07-15 2011-01-26 中国科学院金属研究所 一种划伤模拟实验机及其使用方法
US8655476B2 (en) * 2011-03-09 2014-02-18 GM Global Technology Operations LLC Systems and methods for computationally developing manufacturable and durable cast components
GB201302743D0 (en) * 2013-02-18 2013-04-03 Rolls Royce Plc Method and system for designing a material
CN106682400B (zh) * 2016-12-12 2019-03-12 西安电子科技大学 一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的Monte Carlo模拟方法
CN107391863A (zh) * 2017-07-28 2017-11-24 佛山科学技术学院 用于计算固溶体合金材料中位错结构和力学性能的方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09259156A (ja) * 1996-03-21 1997-10-03 Hitachi Ltd 材料設計方法およびその方法を行う材料設計装置
JP2004526316A (ja) * 2001-03-12 2004-08-26 ピー・デイ・エフ　ソリユーシヨンズ　インコーポレイテツド 欠陥の密度およびサイズ分布の抽出方法
US20020188373A1 (en) * 2001-03-28 2002-12-12 Goddard William A. De novo processing of electronic materials
JP2002328961A (ja) * 2001-04-27 2002-11-15 Fuji Research Institute Corp タスクフローを用いた解析支援システムおよび物質・材料設計支援システムおよび解析支援方法および物質・材料設計支援方法
US20030229865A1 (en) * 2002-06-11 2003-12-11 Sergei Bakarian Method for eliminating false failures saved by redundant paths during circuit area analysis on an integrated circuit layout
JP2004258814A (ja) * 2003-02-24 2004-09-16 In-Silico Science Inc タンパク質構造予測装置、タンパク質構造予測方法、プログラム、および、記録媒体
JP2006282929A (ja) * 2005-04-04 2006-10-19 Taiyo Nippon Sanso Corp 分子構造予測方法
JP2008040673A (ja) * 2006-08-03 2008-02-21 Sumitomo Heavy Ind Ltd 原子配置シミュレーション方法、原子配置シミュレーション装置、原子配置シミュレーションプログラム、及び該プログラムを記録した記録媒体
JP2016024178A (ja) * 2014-07-24 2016-02-08 横浜ゴム株式会社 特定物質の解析用モデルの作成方法、特定物質の解析用モデルの作成用コンピュータプログラム、特定物質のシミュレーション方法及び特定物質のシミュレーション用コンピュータプログラム
CN104778329A (zh) * 2015-04-24 2015-07-15 中国石油大学(华东) 一种分析co2/ch4在褐煤中吸附机理的方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114089762A (zh) * 2021-11-22 2022-02-25 江苏科技大学 一种基于强化学习的水空两栖无人航行器路径规划方法

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