一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A method for the analysis of \u03b1 - Fe plasticity under the condition of vacancy diffusion near dislocation

【技术实现步骤摘要】
一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法
本专利技术涉及材料科学领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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：其中，Xi为平均位置，αi为每个位点的高斯宽度参数，ci为每个原子位点的占据概率，w为高斯平均对势，ψi为电子密度，EFe为嵌入函数,N为系统总的原子数，kB为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,ΛT为热力学德布罗意波宽；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长时间演化，其空位扩散主方程为：其中，fij为相邻原子位点的形成能差，τ为无量纲扩散时间尺度。优选的，将弛豫后的α-Fe超晶胞模型，以位错线纵向为圆心，以柏氏矢量的模长为半径增量作同心圆环，然后统计位错现两侧每个半圆环内的空位浓度，得到位错周围空位浓度随距离的分布。优选的，步骤S3中所述计算空位-位错交互作用能，其方程为：Uint＝kTln(c0/c)其中，Uint为空位-位错交互作用能，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，c0为平均空位浓度，c为准平衡态下位错周围空位浓度。优选的，步骤S4中对空位弛豫前后的α-Fe超晶胞模型进行单轴拉伸变形，得到应力应变曲线，所述位错的Peierls应力为应力应变曲线的第一个峰值。优选的，步骤S5中所述不同滑移系分别为{110}<111>、{112}<111>、{123}<111>。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提供的一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法，运用模拟计算方法对α-Fe中位错附近过饱和空位长时间演化条件下的塑性变形行为进行了研究分析，解决了现有的实验观测手段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，动态蒙特卡洛方法以及相场晶体法都难以解决复杂系统的缺陷演化问题。本专利技术提供的方法大大减少人工及计算资源的耗费，节约成本；与以往对空位-位错交互作用的研究大多集中在通过应变场与能量场间接反映位错核的结构与范围，本专利技术通过真实的空位浓度分布更加直观的表现空位在位错附近的偏聚现象，以及由此产生的位错运动受阻，晶体塑性降低等力学行为。同时对α-Fe中不同滑移系的上述行为的差异进行对比，为研制高性能的α-Fe基金属材料提供了理论依据。这对于材料基因工程即多尺度预测α-Fe基金属材料的宏观力学性能的微观及宏观尺度的参数传递具有重要意义。附图说明图1是本专利技术一实施例中模拟位错附近过饱和空位长时间演化条件下α-Fe塑性变形行为的方法的流程图；图2是本专利技术一实施例中步骤S1中建立的含有位错的α-Fe超晶胞模型；图3是本专利技术一实施例中步骤S2中计算的准平衡态下空位浓度的分布；图4是本专利技术一实施例中步骤S3中计算的准平衡态下空位-位错交互作用能的分布；图5是本专利技术一实施例中步骤S4弛豫前后的α-Fe的应力应变曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期理论研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要是通过模拟计算的方法模拟位错附近过饱和空位长时间演化条件下α-Fe塑性变形行为。下面通过具体实施例及附图对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。参阅图1，一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：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。具体而言，该步骤S1中基于V.S.Krasnikov开发的构建刃位错模型的方法，并且基于C.Domain开发的构建螺位错模型的方法，采用LPAP软件分别建立含有{110}、{112}、{123}滑移面的单个刃位错或螺位错的α-Fe超晶胞模型，且滑移方向均为<111>，晶格常数a为0.287nm。其中图2为含有{110}滑移面的刃位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、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；/nS2、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；/nS3、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；/nS4、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；/nS5、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。/n

【技术特征摘要】
1.一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法，其特征在于，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。


3.根据权利要求2所述的一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法，其特征在于，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。


4.根据权利要求1所述的一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法，其特征在于，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。


5.根据权利要求1所述的一种分析位错附近空位扩散条件下α-Fe塑性的方法，其特征在于，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：



其中，Xi为平均位置，αi为每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李梅娥，张彪，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61