一种基于自由体积分布的溶质低能偏聚界面模型建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自由体积分布的溶质低能偏聚界面模型建模方法，属于金属材料领域；首先，构建初始模型并设置参数；然后，应用周期性边界条件对初始模型的盒子进行扩展，创建所有原子的栅格坐标及近邻列表；通过voronoi算法计算盒子中所有原子的体积并对各原子执行细密网格划分，基于原子自由体积决定溶质原子分布；接着，获取随机坐标并选择近邻列表中最邻近的四个非溶质原子组成间隙，执行多面体分析和稳定四面体间隙判定，将溶质原子插入晶体的四面体间隙，直至溶质原子数量达到目标值；本发明专利技术无需不断构建随机可能构型，不会导致大量体系能量的计算，有效的降低了耗时。时。时。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自由体积分布的溶质低能偏聚界面模型建模方法


[0001]本专利技术属于金属材料
，具体涉及一种基于自由体积分布的溶质低能偏聚界面模型建模方法。

技术介绍

[0002]金属中的界面具有原子排列不规则和能量高的特点；因此，溶质原子倾向于与界面相互作用，偏聚在界面处，以降低能量，这种现象对金属材料的力学性能有重要影响，关于具体的相互作用和影响机理的研究仍是一项热门课题。
[0003]目前常用的溶质偏聚建模方法是蒙特卡罗方法(Monte Carlo method)，通过不断尝试随机移动、添加或删除溶质原子，搜索能量最低的界面构型，但是由于该算法需要不断通过计算体系能量尝试构建可能的构型，导致算法耗时长。

技术实现思路

[0004]为从界面几何构型的角度降低溶质偏聚界面模型的能量，本专利技术提出一种基于自由体积分布的溶质低能偏聚界面模型建模方法，通过voronoi算法计算金属界面模型原子的体积，并基于原子自由体积决定溶质原子分布，将这些溶质原子插入晶体的四面体间隙，构建了稳定的溶质偏聚界面模型，与蒙特卡罗方法相比，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自由体积分布的溶质低能偏聚界面模型建模方法，其特征在于，具体步骤如下：首先，用户构建初始模型和设置输入参数，并应用周期性边界条件，对距初始模型的盒子边界满足限制条件的原子，执行平移复制操作，得到扩展原子，并更新所有原子的总数；针对更新后的所有原子，在周期性边界环境下创建各原子对应的栅格坐标并获取各原子的近邻列表；然后，选择初始盒子中各原子的近邻列表，分析各原子的晶体结构以及各自对应的体积；并执行细密网格划分，识别所有界面格子，并基于原子的体积计算界面格子的自由体积，进而计算其溶质原子出现概率接着，从盒子中获取随机坐标及其近邻列表，从列表中选择最邻近的四个原子，满足其类型为非溶质原子类型或者非禁止操作原子类型，作为组成间隙的原子，将间隙质心位置作为待插入溶质原子的候选坐标x
k
，计算该候选坐标x
k
的接受概率P
k
；当接受概率P
k
大于等于已成功实现溶质原子插入的最新接受概率P
n
，对组成间隙的原子坐标执行多面体分析，并对凸多面体进行稳定四面体间隙判定；当接受概率P
k
小于P
n
，利用Metropolis采样算法获取0到1范围内的随机数P
*
，继续判断直至满足P
*
≤P
k
，对组成间隙的原子坐标执行多面体分析，并对凸多面体进行稳定四面体间隙判定；判定条件为：第一，任意棱长小于截断半径r1和任意角度不大于90度；第二，该四面体间隙波动范围满足ε
α
＜0.15；或用户自行设置；最后，满足四面体间隙稳定下，在候选坐标x
k
处插入溶质原子n，并记录此时接受概率P
k
为P
n
；重复从盒子中获取随机坐标，对组成间隙的原子判断接受概率和执行四面体间隙的稳定，当满足条件后插入溶质原子，直至溶质原子数量达到目标值N，输出溶质偏聚界面模型。2.如权利要求1所述的一种基于自由体积分布的溶质低能偏聚界面模型建模方法，其特征在于，所述初始模型为存在界面的金属单质，模型包括盒子信息、原子总数、原子类型、所有原子的序号和各原子坐标；盒子信息包括盒子尺寸和盒子对角线两个端点坐标；对角线两个端点坐标分别为起点坐标(x
s
,y
s
,z
s
)和终点坐标(x
e
,y
e
,z
e
)，由起点坐标和终点坐标得盒子三轴边长X、Y、Z；记录当前原子总数为IniNum，第i个原子的坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)；输入参数包括必选参数和可选参数；必选参数包括溶质原子数量N、溶质原子类型、截断半径r1和随机数种子；其中溶质原子类型值必须大于初始模型中所有原子类型值；可选参数为用户可修改默认值的各种参数。3.如权利要求1所述的一种基于自由体积分布的溶质低能偏聚界面模型建模方法，其特征在于，所述对距盒子边界满足限制条件的原子进行扩展的过程为：限制条件是指各原子与盒子边界的距离小于截断半径r1；首先，根据周期性边界条件对盒子外部的原子执行平移操作，确保所有原子处于盒子内部；
然后，将盒子向外扩展截断半径r1的距离，新扩展的区域为扩展盒子；最后，逐一选择位于原盒子内部的原子，进行如下判断：当前原子根据周期性边界条件沿某方向平移一个周期距离后，判断该原子是否在扩展盒子内，如果是，则将此原子复制到扩展盒子中，继承平移之前的原子类型和记录平移之后的原子坐标；并标记平移复制生成的原子为扩展原子，更新原子总数；否则，当前原子不做处理，继续选择下一个原子；原子总数包括原盒子内部的所有IniNum个原子以及扩展原子两部分之和；扩展原子在IniNum之后排序；方向包括上、下、前、后、左、右和其中任意两或三个方向的矢量和，共26个，具体根据周期性设置得到。4.如权利要求1所述的一种基于自由体积分布的溶质低能偏聚界面模型建模方法，其特征在于，所述创建各原子对应栅格的具体步骤如下：首先，根据截断半径r1获取盒子三轴正交方向要划分的层数N
Lx
、N
Ly
和N
Lz
；计算公式如下：然后，根据层数反过来计算各方向的层厚T
Lx
、T
Ly
和T
Lz
；计算公式如下：最后，根据各方向的层厚结合各原子坐标、盒子的起点坐标，计算各原子所处的栅格坐标并记录原子序号于原子所处栅格的对应数组中；第i个原子的栅格坐标(n
ilx
,n
ily
,n
ilz
)计算公式如下：根据栅格坐标获取各原子的近邻列表，具体步骤如下：逐个选择各原子，针对当前第i个原子，读取该原子所处的栅格坐标，调取该栅格及26个方向对应的栅格，共27个栅格对应数组中的所有原子序号对应的原子，按照各原子与当前第i个原子的距离由近及远冒泡法排序，获取小于截断半径r1的所有原子，并从中选择最邻近的CN个原子，组成当前第i个原子的邻近原子列表；其中CN是用户设定的配位数上限。5.如权利要求1所述的一种基于自由体积分布的溶质低能偏聚界面模型建模方法，其特征在于，所述分析各原子的晶体结构以及各自对应的体积，具体步骤如下：步骤4.1、针对当前第i个原子，将近邻列表中各原子的坐标分别代入共近邻分析算法中，获取当前第i个原子的晶体结构；结构包括fcc结构、bcc结构、hcp结构或未知结构；
步骤4.2、将当前第i个原子与其近邻列表内各原子连线的垂直平分线构成闭包，利用Voronoi算法计算闭包的体积作为当前第i个原子的体积V
ia
；步骤4.3、利用第i个原子的体积V
ia
计算该原...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞丰，张燕，刘昭睿，药博男，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：