[发明专利]一种确定铝中纳米孔洞稳定结构和能量的模拟方法

说明书

本发明涉及一种确定铝中纳米孔洞稳定结构和能量的模拟方法，涉及塑性变形过程中金属材料缺陷演化模拟技术领域，包括以下步骤：建立金属铝超胞，采用模拟退火方法计算铝纳米孔洞的Wigner‑Seitz原胞表面积，利用其形成能正比与纳米孔洞Wigner‑Seitz原胞表面积的关系，以获得任意尺寸的铝纳米孔洞稳定结构和能量；本发明使用Wigner‑Seitz原胞表征纳米孔洞内壁结构，采用模拟退火方法计算铝纳米孔洞的Wigner‑Seitz原胞表面积。具有最小Wigner‑Seitz原胞表面积的纳米孔洞为最稳定结构，其形成能正比与纳米孔洞Wigner‑Seitz原胞表面积，利用该方法可以十分简便地获得任意尺寸的铝纳米孔洞稳定结构和能量。

技术领域

本发明涉及塑性变形过程中金属材料缺陷演化模拟技术领域，具体涉及一种确定铝中纳米孔洞稳定结构和能量的模拟方法。

背景技术

塑性变形会在铝基材料中引入过饱和的空位。在塑性变形过程、时效处理以及服役过程中这些过饱和空位会聚集形成团簇，最终演化成纳米孔洞。这些纳米孔洞会影响铝基材料的许多性质，比如合金元素偏聚、合金相析出、材料断裂、气泡形核等。为了调控这些性质，理解纳米孔洞的基本结构和能量性质显得至关重要。

为了精确确定铝中纳米孔洞的稳定结构和能量，人们通常采用第一性原理方法(DFT)。DFT方法精度高，能够提供准确的纳米孔洞结构和能量，但因计算量巨大，目前仅仅只能粗略研究空位数少于10的纳米孔洞的结构和能量。基于经验原子间作用势的分子动力学/静力学可以研究较大纳米孔洞的结构和能量。目前已经开发出了数十种铝的经验势函数。但是这些经验势函数在描述纳米孔洞表面结构特征和能量的准确性欠佳。采用不同经验势函数获得的稳定结构和能量往往差异很大，难以判定哪个结果准确。

除上述两种原子尺度模拟外，另一种经常用于估算纳米孔洞结构和能量的方法，则是假设孔洞具有球形的几何形状，并认为其形成能与表面积呈线性关系，即球形近似。球形近似计算起来十分简单，能够捕获铝中纳米孔洞能量变化的平均趋势且不受纳米孔洞的尺寸限制。然而，球形近似一方面无可避免的会抹去纳米孔洞的结构细节，另一方面也无法重现原子尺度计算所揭示的纳米孔洞随尺寸增大的巨大结合能波动。而这些结构和能量细节对评估纳米孔洞稳定性往往是至关重要的。因此，需要开发一种准确、简便的确定铝中纳米孔洞稳定结构和能量的方法，以便在铝中缺陷和组织演化多尺度模拟中对纳米孔洞进行参数化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确简便的确定铝中纳米孔洞稳定结构和能量的方法，通过采用模拟退火方法计算铝纳米孔洞的Wigner-Seitz(魏格纳塞斯)原胞表面积，利用其形成能正比与纳米孔洞Wigner-Seitz原胞表面积的关系，以获得任意尺寸的铝纳米孔洞稳定结构和能量。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种确定铝中纳米孔洞稳定结构和能量的模拟方法，包括如下步骤：

步骤S1.建立初始参数模型，基于所述初始参数模型建立金属铝超胞；

步骤S2.设定模拟退火条件以及设定初始温度，计算所述金属铝超胞中纳米孔洞的初始Wigner-Seitz原胞表面积；

步骤S3.在所述金属铝超胞中引入预设数量的空位，形成初始空位构型，在随机将一空位与金属铝原子进行交换后，计算出交换前后Wigner-Seitz表面积的差值dWS；

步骤S4.判断所述差值dWS是否小于等于零，若是，则接受本次交换，若否则根据metropolis判据接受本次交换；

步骤S5.在满足迭代次数、模拟退火降低到指定温度并且达到退火次数后，获得具有最小Wigner-Seitz表面积的纳米孔洞，利用孔洞形成能与所述铝纳米孔洞Wigner-Seitz原胞表面积呈正比的关系，以获得任意尺寸的铝纳米孔洞稳定结构和能量。