[发明专利]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

说明书

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，涉及非晶合金纳米压痕测试模拟计算方法。模拟方法：基本参数设置；模型建立并将模型分为两部分，进行弛豫得到非晶合金模型；能量最小化及设置初速度；定义计算保存原子温度并输出得到温度场分布图；计算原子应力得到压痕过程中应力场的分布；定义纳米压痕压头信息、定义压头下压参数、计算Z方向受力，计算压入深度，保存力曲线信息；运行压痕过程、实现压痕保载过程、实现痕卸载过程。本发明能够实现对非晶合金整个纳米压痕全过程动态模拟，使三个阶段无间断的连贯起来，直观的展现出各种变形过程、变形机理与各物理量之间的关系，为探究非晶合金的变形机理提供了强有力的手段。

技术领域

本发明涉及一种非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法。

背景技术

非晶合金俗称金属玻璃，具有很多其相应的晶体金属材料所不具有的优良特性，比如高强度、高硬度，耐磨耐腐蚀等性能。但也存在着一个巨大的缺点，那就是塑性极差，在工程应用中容易出现灾难性断裂。为此，研究非晶合金的塑性变形过程及机理，是搞清楚非晶合金发生脆性断裂原因的关键，从而以寻求更好的增加非晶合金宏观塑性的有效方法。由于非晶合金的脆性断裂发生在一瞬间，用实验的方法不足以观察到如此快速的过程。另外，非晶合金的初始塑性的启动往往发生在原子量级，如此小的尺度实验上也很难观察。

纳米压痕测试，因其精确度高、易操作实现而被广泛应用于研究非晶合金材料的塑性变形性能。利用分子动力学模拟的方法从时间尺度和空间尺度都能很好的符合研究非晶合金的塑性变形机理问题，以达到直观的反映出非晶合金塑性变形过程中原子级别的温度场、应力场、原子位移，受力情况等详细信息。但是，现有技术中如何实现非晶合金的纳米压痕分子动力学模拟是研究非晶合金塑性变形行为的一个难点。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术存在的不足，提出一种CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法。

本发明CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法按照以下步骤进行：

(1)基本参数设置：用lammps进行建模，模型原子采用metal单位，空间维度设置为三维，在压痕方向上采用可收缩性边界，在垂直于压痕的方向上采用周期性边界，设置模拟时间步长、原子近邻参数和迭代步长；

(2)模型建立：采用bcc结构的铜原子晶胞进行建模，模型形状为四方形，总原子种类为三种，分别为Cu、Zr、Al；在模型区域内首先填充铜原子，并用Zr、Al原子位置随机的替换掉铜原子得到CuZrAl非晶合金的前体晶体模型，并设置各类原子的相对原子质量；前体晶体模型中Cu、Zr、Al的原子百分比分别为61％、36％、3％；

(3)将前体晶体模型分为两部分，分别为底部固定的bottom部分和原子可运动的piece部分；bottom部分的厚度为一个晶体原胞厚度；piece部分的厚度为模型厚度除去bottom部分的剩余部分；

(4)势函数采用多元EAM合金势；此势函数对金属原子之间的相互作用以及弹塑性变形行为有着合理的诠释；

(5)在NPT系综下，温度为2000K，将piece部分进行弛豫，得到非晶合金模型；

(6)能量最小化及设置piece部分的初速度，固定bottom部分使其在整个过程中始终受力为0；

步骤(6)中设置在300K下piece部分的初速度；使用fix语句的setforce命令将bottom部分原子受力始终设置为0，以达到固定模型底端的目的；

(7)定义原子温度，计算原子温度，保存原子温度并输出，得到温度场分布图；

步骤(7)中用compute与variable命令相结合计算单原子温度，并将温度换算成开尔文温度，之后再用dump命令输出并保存系统所有原子温度；