一种密排六方金属孪晶界面建模方法

1.本发明属于计算材料科学领域，具体涉及一种密排六方金属{10
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11}孪晶界面建模方法，尤其涉及ti、mg、zr等密排六方金属的{10
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11}孪晶界建模方法。


背景技术：

2.金属材料在变形时，会产生大量的缺陷，如：间隙、空位、位错、孪晶界等。这些缺陷对于金属材料的力学性能有着十分重要的影响。对于密排六方金属由于其相比面心立方金属和体心立方金属具有较低的对称性，且滑移系较少，孪生在密排六方金属的塑性变形中发挥着非常重要的作用。为了进一步优化金属材料的力学性能，首先要阐明缺陷之间的相互作用规律。随着材料科学和计算机科学的发展，人们从不同空间尺度提出了不同的材料模拟方法，对于微纳尺度主要采用分子动力学方法来模拟金属材料中缺陷之间的相互作用。但是，对于孪晶构型的获得大多通过塑性变形后的结果来获得，对于密排六方金属直接构建孪晶存在一定的技术难度，这主要源于密排六方金属的孪晶面在锥面上。当对{10
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11}孪晶界进行建模时，很难在正交的模拟盒子中保持周期性，因此本发明提出了一种在正交模拟盒子构建满足周期性的{10
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11}孪晶界的方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出一种密排六方金属{10
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11}孪晶界的建模方法，该方法可以在正交的模拟盒子中构建孪晶界并可以保证周期性。
4.为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
5.一种密排六方金属孪晶界面建模方法，在正交盒子中构建周期性的{10
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11}孪晶界，并包含以下步骤：
6.(1)构造正交的密排六方结构的单胞；
7.(2)构造正交模拟盒子，并将单胞的{10
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11}面旋转至垂直于模拟盒子的一个轴向，从而保证在后续的模拟加载中孪晶界垂直于界面加载；
8.(3)确定盒子尺寸，这里主要依据旋转后的单胞在正交模拟盒子三个方向上最小重复单元的距离来确定，模拟盒子的在三个方向上的最终尺寸应为最小重复单元的整数倍，从而保证周期性；
9.(4)在模拟盒子的中心开始填充旋转后的单胞结构，当遇到盒子边界时填充结束；
10.(5)填充单胞后，在垂直于界面方向的左右边界一般会形成两个界面，这主要是单胞在盒子中的倾斜填入；此时首先根据周期性，将两个界面移至盒子中心；然后根据周期性将局部原子微调，调整的距离主要根据原子排列和原子之间的距离来调整界面间原子的错动，并调整模拟盒子的尺寸以保证周期性；
11.(6)调整完原子后，仍然存在界面，此时要利用分子动力学软件及原子间势对构型进行静态驰豫；释放内应力后，即获得一个旋转后的、没有界面的、具有周期性的密排六方结构的单晶；
12.(7)将获得的单晶在垂直于界面的方向进行镜像，并删除所得镜像构型边界处的一列原子；
13.(8)将原始单晶和镜像后的单晶在垂直于界面方向粘合，即构成完成{10
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11}孪晶界。
14.所述的密排六方金属孪晶界面建模方法，步骤(1)中，构造的密排六方结构单胞为正交单胞。
15.所述的密排六方金属孪晶界面建模方法，步骤(2)中，所构造的孪晶界面垂直于模拟盒子的一个轴向，即在分子动力学模拟过程中垂直于界面进行力学加载。
16.所述的密排六方金属孪晶界面建模方法，步骤(3)中，所创建的模拟盒子尺寸大小选取依据为旋转后的单胞沿着盒子的三个轴向最小重复单元距离的整数倍，从而保证周期性。
17.所述的密排六方金属孪晶界面建模方法，步骤(5)中，在模拟盒子中填入单胞后，出现的两个界面，要移至盒子中心进行调整；两个界面所调整的距离，与密排六方结构的原子间距保持一致；在移动完原子后，调整盒子长度以保证周期性。
18.所述的密排六方金属孪晶界面建模方法，步骤(6)中，利用分子动力学所需的原子间势函数对构型进行静态驰豫，从而释放内应力，获得一个旋转后、没有界面的、具有周期性的密排六方单晶。
19.所述的密排六方金属孪晶界面建模方法，步骤(6)中，驰豫方法采用共轭梯度法或最陡下降法。
20.所述的密排六方金属孪晶界面建模方法，步骤(7)中，对获得的单晶沿垂直界面方向进行镜像，获得一个镜像后的单晶，并删除该单晶的一列原子，并与原始单晶沿着垂直于界面方向粘合，从而获得{10
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11}孪晶界。
21.本发明的设计思想是：
22.密排六方金属的孪晶面都具有c轴分量，因此孪晶面相对于密排面(0001)面具有一个非90
°
夹角。在分子动力学模拟中，为了对体系施加正应力，通常将模拟盒子设置为正交盒子，而在正交盒子中若要保证孪晶面垂直于模拟盒子的一个轴向，则密排面与模拟盒子的边界也存在一个夹角，此夹角会导致建模过程中很难保证周期性。因此，在模拟盒子中填入原子时，要保证盒子三个方向的大小等于旋转后的密排六方单胞在对应方向最小重复单元距离的整数倍，这是保证周期性的前提条件。接下来利用原子间势对整个体系进行弛豫来释放晶格内应力，并使原子堆垛针对盒子空间进行一个合理地调整来消除内部界面，以上就获得了一个单晶。对此单晶进行镜像，并将两个单晶垂直于界面进行粘合，粘合前要删除掉重复的原子堆垛，由此就获得了具有周期性的孪晶界。
23.本发明的优点及有益效果是：
24.本发明提出的构建密排六方金属孪晶界的建模方法，可以加快相关合金内部缺陷的相互作用研究，从而针对具体的缺陷作用机制对材料宏观性能做出精准调整，对于材料研发和为材料科学实验研究提供理论基础。
附图说明
25.图1为密排六方晶体结构正交单胞图。
26.图2为密排六方单胞旋转后填入正交模拟盒子后的构型图，其中白色原子代表hcp原子结构，黑色原子代表晶体缺陷。
27.图3为{10
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11}孪晶界建模过程中的微调过程。(a)虚线框内的原子向左上方移动，(b)虚线框内原子移动后的结果。
28.图4为{10
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11}孪晶界拼合过程。(a)利用原子间势函数驰豫后的构型，(b)根据(a)中构型镜像得到的构型，(c)将(a)、(b)构型粘合后得到的构型，(d)删除单层原子后调整模拟盒子尺寸后的构型。
具体实施方式
29.在具体实施过程中，本发明密排六方金属孪晶界建模方法，包含以下步骤：构造密排六方结构单胞；构造模拟盒子，确定盒子尺寸；将旋转后的单胞从模拟盒子中心填入，直到填充至盒子边界，单胞旋转角度为{10
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11}面法线与轴线的夹角；根据周期性将局部原子微调，调整的距离主要根据密排六方结构原子之间的距离来调整界面间原子的错动，并调整模拟盒子的尺寸以保证周期性；利用原子间势对调整后的构型进行静态驰豫获得一个旋转后的、正交的、周期性的单晶；将所得单晶沿垂直界面方向镜像，并去除镜像单晶边界处的一列原子；将原始单晶与镜像单晶垂直于界面方向粘合，即可获得{10
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11}孪晶界。
30.以下，结合附图说明和实施例对本发明做进一步的详细描述：
31.实施例
32.本实施例中，对密排六方金属纯钛的{10
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11}孪晶界进行建模，该方法包括如下步骤：
33.(1)构造正交的密排六方结构单胞，如图1所示，其三个轴向的取向分别为[0001]、[
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12
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10]、[10
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10]。
[0034]
(2)构建正交模拟盒子，并将单胞按[
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12
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10]轴旋转30
°
，并放置在模拟盒子中心处向三个方向周期性扩展，直到填满整个盒子。盒子的尺寸选取要按照倾斜填入单胞后在每个轴向的原子排布的最小重复周期来定值，盒子的尺寸应为最小重复周期距离的整数倍，从而保证周期性。
[0035]
(3)在模拟盒子的中心开始填充旋转后的单胞结构，当遇到盒子边界时填充结束。
[0036]
(4)填充单胞后，在垂直于界面方向的左右边界一般会形成两个界面，这主要是单胞在盒子中的倾斜填入。此时首先根据周期性，将两个界面移至盒子中心。然后根据周期性将局部原子微调，调整的距离主要根据原子排列和原子之间的距离来调整界面间原子的错动，并调整模拟盒子的尺寸保证周期性。
[0037]
如图2所示，填充完模拟盒子后，除了左右界面处，另外两个方向都保持周期性。此时需要将图2中的界面移至盒子中央，来对原子进行操作，见图3(a)。图中白色原子为密排六方结构原子，黑色原子代表缺陷界面。需要将虚线内的原子向左上侧移动以保证两个缺陷界面的距离与密排六方结构间距一致。位移后，发现缺陷界面仍然存在，见图3(b)。
[0038]
(5)调整完原子后，仍然存在界面，此时利用分子动力学中的原子间势函数，对整个构型进行静态驰豫，驰豫方法既可以选用共轭梯度法，也可选用最陡下降法。驰豫后，即可获得旋转的、没有界面的、正交单晶，见图4(a)。
[0039]
(6)将单晶进行左右镜像操作，获得一个镜像的单晶，见图4(b)。将两个单晶左右
进行粘合，得到图4(c)。发现盒子的中心部位有两个相同的原子列，将其中一列黑色原子删除掉，再将原始单晶和镜像后的单晶在垂直于界面方向进行粘合得到图4(d)，此时即可得到具有两个{10
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11}孪晶界(左、中侧黑色原子)的构型，此构型具有周期性且构建于正交盒子中。