[发明专利]一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法

说明书

本发明公开了一种分析位错附近空位扩散条件下α‑Fe塑性的方法，建立用于模拟过饱和空位演化的含有位错和空位的α‑Fe超晶胞模型；基于扩散分子动力学计算不同温度下空位长时间演化后的浓度分布；计算不同温度下空位‑位错交互作用能在位错附近随距离的分布；对弛豫前后的α‑Fe超晶胞模型进行单轴拉伸变形模拟，计算位错的Peierls应力；通过对比空位弛豫前后不同滑移系的位错Peierls应力判断位错启动难易程度及晶体塑性变形行为。本发明可用于分析各类体心立方纯金属位错附近过饱和空位长时间演化条件下的塑性变形行为，分析结果可靠，可重复性强，易于实现。

技术领域

本发明涉及材料科学领域，特别涉及一种模拟位错附近空位演化影响体心立方金属塑性变形行为的方法，具体为一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法。

背景技术

在材料的理论计算领域，扩散分子动力学作为微观尺度的模拟手段，通过粗粒化原子振动并演化出平滑的位点占据概率模拟长时间扩散质量和热传输，同时保持原子级的分辨率。扩散分子动力学大的时间窗口能够直观的捕获材料中大量点缺陷的扩散过程和溶质的偏析行为，特别是在预测原子尺度的点缺陷的长期演化对金属材料的力学性能的影响方面有着重要的应用前景。

空位-位错交互作用能和Peierls应力作为表征空位位错交互作用强度以及晶体力学性能的重要参数，在研究空位偏析、位错启动以及晶体塑性变形行为等多尺度预测α-Fe基金属材料的力学性能即在微观及介观尺度的力学参数传递间起着重要的作用。实验观测难以捕获原子尺度的点缺陷，同时空位的演化属于扩散行为，传统的分子动力学模拟受原子振动的限制无法进行长时间的模拟。尽管动态蒙特卡洛或者相场晶体方法能够模拟长时间的扩散行为，但是动态蒙特卡洛方法对于复杂的系统很难创建完整的目录，而相场晶体法主要解决熔点附近的高温凝固等问题。上述方法对于模拟长时间的空位扩散与晶体塑性行为等问题均具有一定的局限性。

发明内容

针对现有技术中模拟长时间的空位扩散与晶体塑性行为的问题均具有一定的局限性的问题，本发明提供一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法，为研制高性能的α-Fe基金属材料提供了理论依据。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法，包括以下步骤：

S1、建立用于模拟过饱和空位演化的含有位错和空位的α-Fe超晶胞模型；

S2、基于扩散分子动力学计算不同温度下空位长时间演化后的α-Fe超晶胞模型中空位浓度分布，所述长时间为大于微秒尺度；

S3、以及计算不同温度下α-Fe超晶胞模型中空位-位错交互作用能在位错附近随距离的分布；

S4、对空位弛豫前后的α-Fe超晶胞模型进行单轴拉伸变形，计算位错的Peierls应力；

S5、通过对比空位弛豫前后不同滑移系的位错Peierls应力，判断位错启动难易程度及晶体塑性变形行为。

优选的，步骤S1中所述α-Fe超晶胞模型为刃位错的α-Fe超晶胞模型或螺位错的α-Fe超晶胞模型。

优选的，基于V.S.Krasnikov开发的构建刃位错模型的方法，建立含有不同滑移系下单个刃位错的α-Fe超晶胞模型；

基于C.Domain开发的构建螺位错模型的方法，建立含有不同滑移系下单个螺位错的α-Fe超晶胞模型。

优选的，步骤S1中含有位错的α-Fe超晶胞模型中设随机分布的过饱和浓度的空位缺陷。

优选的，步骤S2中所述通过扩散分子动力学计算位错附近空位的设定时间演化，其亥姆霍兹自由能方程为：