一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法

本发明涉及金属颗粒增强金属基复合材料力学领域，具体为一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法。

背景技术：

1、高熵合金颗粒增强铝基复合材料作为一种新型的复合材料有着较高的比强度、比刚度、耐磨性、高硬度有望应用于高精尖领域，受到广泛的关注与研究。除实验研究方法能研究晶格畸变和迟滞扩散效应外，理论模型和数值模拟为研究高熵合金颗粒增强铝基复合材料的微观机理和力学特征提供了一种创新方法。颗粒增强可以提高材料的强度、弹性模量和强度等，对于颗粒增强al基复合材料，基体和增强体之间相互扩散形成界面可以有效防止裂纹的产生和扩展的速度。通过分子动力学模拟颗粒增强铝基在变形过程中的变形机制和性能，揭示高熵合金颗粒强韧的内在机制，得到材料内部的组织结构演变信息。目前为止针对高熵合金颗粒增强铝基复合材料的研究只是冰山一角，特别是理论模型和模拟方面的研究较为缺乏，因此如何通过分子动力学模拟研究材料内部的位错、相变等微观组织与结构的生成与演化信息成为解决的关键。

2、中国专利申请cn115565628a则公布了一种模拟高熵合金均匀变形的分子动力学方法。介绍一种分子动力学模拟拉伸或压缩过程中按照特定梯度速度将材料进行均匀变形的方法，以便获得材料在塑性变形过程中更多的形变信息，用于解释相变、位错产生与滑移、断裂等现象。但是该方法不涉及颗粒增强基体复合材料内部的位错、相变等微观组织与结构的生成演化信息，颗粒分布数量对材料的位错运动以及裂纹扩展的作用；为此提供了一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法，以解决上述背景技术提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法，具体步骤如下：

3、s1：参数设置：用lammps软件进行复合材料的建模，模型原子采用金属原子metal单位，边界设置为拉伸或压缩方向上的周期性可收缩性的p，空间维度设置为三维，设置近邻参数、时间步长以及迭代步长；

4、s2：模型建立：采用fcc结构的铝原子晶胞进行建模，用al在模拟框中创建原子；删除中间部位的al原子层，为5-10cm，构建中间高熵合金颗粒增强层，采用fcc结构的晶胞进行建模，在模拟框中填充原子然后等按照特定的比例用不同种元素原子随机替换该原子，再设置各种原子的相对原子质量；

5、s3：势函数的设置：采用混合势函数，eam/fs金属势，eam/alloy合金势，lj/cut势，高熵合金增强颗粒层可采用现有的势函数，然而针对不同元素则需要考虑基底al之间的力场；

6、s4：能量最小化及设置模型的初始温度，固定boundary边界，使得boundary边界组原子在整个过程中始终受力为零，输出lammpstrj文件；

7、s5：在npt系综下系统弛豫，对弛豫好的模型进行保存；

8、s6：设置模型的起始距离、终止距离和速度梯度，拉伸或压缩部分为模型除去固定端和移动端剩余的部分，速度梯度设置为(0-1)*10-10m/ps，拉伸部分越远离移动端速度越慢，模型发生均匀变形；

9、s7：在npt系综300k温度下进行拉伸或压缩；

10、s8：计算应变-应力，并且输出复合材料模型的原子轨迹图和力曲线数据，保存原子坐标，固定保存一次，运行固定步；

11、s9：用thermo命令输出力学参量，自定义输出方式；

12、s10：用dump命令输出lammpstrj文件，获得颗粒增强铝基复合材料的位置力学参数信息；

13、s11：将lammpstrj文件导入到软件the open visualization tool中，查看位错生成与相变运动力学信息。

14、作为本发明的一种优选技术方案，所述s1中模型原子采用金属原子metal单位，边界设置为拉伸或压缩方向上的周期性可收缩性的p，空间维度设置为三维，设置近邻参数0.5bin、时间步长0.001以及迭代步长every 5delay0，拉伸方向为z方向。

15、作为本发明的一种优选技术方案，所述s2中定义空间的几何区域，创建长方体形模型模型参数为050050040，在区域内填充6种原子，删除中间部位的al原子层10cm；构建中间高熵合金颗粒增强层，采用fcc结构的晶胞进行建模，在模拟框中填充铁原子然后等按照特定的比例用ni、cr、co、al元素原子随机替换铁原子。

16、作为本发明的一种优选技术方案，所述s3中lj/cut力场关系式：设定截断半径，找到所需种类原子的lj/cut参数，可以根据mix arithmetic计算出混合力场参数。

17、作为本发明的一种优选技术方案，所述s9中用thermo命令输出力学参量，自定义输出方式，输出模拟步数、系统温度、x轴方向长度、y轴方向长度、z轴方向长度、模型的体积、x方向动量、y方向动量、z轴方向动量。

18、本发明的有益效果是：本发明介绍了一种模拟金属颗粒增强金属基模拟拉伸压缩过程中按照特定速度等温等压将复合材料进行均匀变形的方法，以便获得颗粒增强金属基复合材料在塑性变形过程中更多的形变信息，用以揭示颗粒增强金属基复合材料其相变、位错的产生与滑移、断裂等现象。本发明与其他传统方法相比，颗粒增强金属基复合材料在建模过程中的力场关系、势函数的设置，颗粒增强层与基体层之间的力场关系，并且在等温等压的情况下进行均匀变形提高模拟状态下的颗粒增强金属基复合材料的塑性变形能力，对探究颗粒增强金属基复合材料的塑性变形过程及变形机理的研究以及颗粒增强金属基复合材料模型的建立提供了有效的研究手段，具有深远的材料仿真和理论指导意义。

技术特征：

1.一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法，其特征在于：具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法，其特征在于：所述s1中模型原子采用金属原子metal单位，边界设置为拉伸或压缩方向上的周期性可收缩性的p，空间维度设置为三维，设置近邻参数0.5bin、时间步长0.001以及迭代步长every 5delay 0，拉伸方向为z方向。

3.根据权利要求1所述的一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法，其特征在于：所述s2中定义空间的几何区域，创建长方体形模型模型参数为050050040，在区域内填充6种原子，删除中间部位的al原子层10cm；构建中间高熵合金颗粒增强层，采用fcc结构的晶胞进行建模，在模拟框中填充铁原子然后等按照特定的比例用ni、cr、co、al元素原子随机替换铁原子。

4.根据权利要求1所述的一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法，其特征在于：所述s3中lj/cut力场关系式：

5.根据权利要求1所述的一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法，其特征在于：所述s9中用thermo命令输出力学参量，自定义输出方式，输出模拟步数、系统温度、x轴方向长度、y轴方向长度、z轴方向长度、模型的体积、x方向动量、y方向动量、z轴方向动量。

技术总结
本发明公开了一种模拟高熵合金颗粒增强金属基变形的分子动力学方法，本方法获得颗粒增强金属基复合材料在塑性变形过程中更多的形变信息，用以揭示颗粒增强金属基复合材料其相变、位错的产生与滑移、断裂等现象。本发明与其他传统方法相比，颗粒增强金属基复合材料在建模过程中的力场关系、势函数的设置，颗粒增强层与基体层之间的力场关系，并且在等温等压的情况下进行均匀变形提高模拟状态下的颗粒增强金属基复合材料的塑性变形能力，对探究颗粒增强金属基复合材料的塑性变形过程及变形机理的研究以及颗粒增强金属基复合材料模型的建立提供了有效的研究手段，具有深远的材料仿真和理论指导意义。

技术研发人员：顾航,贺毅强,郇昌宝,苏前航,刘彦
受保护的技术使用者：江苏海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15