一种模拟含纳米孔洞的钢组织中马氏体相变的分子动力学建模方法技术

基于激光选区熔化方法增材制造的马氏体钢组织中常常会形成纳米级别的孔洞。本发明专利技术公开了一种含纳米孔洞的钢组织中马氏体相变过程的原子级模拟方法，其具体方法如下：(1)分子动力学仿真模型建立；(2)系统弛豫；(3)势函数选取；(4)边界条件选取；(5)温度及压力控制；(6)可视化及数据分析。本发明专利技术通过考察不同孔洞尺寸，借助可视化及数据处理软件，从能量变化、原子切变机制的角度揭示组织中孔洞对马氏体相变的影响机制。这种方法对于调控组织中的马氏体含量、进而优化增材制造件的性能具有重要意义。要意义。要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟含纳米孔洞的钢组织中马氏体相变的分子动力学建模方法


[0001]本专利技术属于激光选区熔化增材制造
，具体涉及一种模拟含纳米孔洞的钢组织中马氏体相变的分子动力学建模方法。

技术介绍

[0002]马氏体不锈钢具有高强度、高韧性、高耐腐蚀性的优点，被广泛应用于航空航天、海洋船舶等领域。增材制造技术的开发，为马氏体钢复杂结构件的制造提供了一种灵活高效、节省材料的思路。在马氏体增材制造研究中，由于不同相之间性能的差异性会显著影响增材件的强度，马氏体在组织中含量一直是研究者们关注的重点。为了提高打印件的性能，研究如何调控马氏体的比例具有重要意义。由于增材制造冷却速度快的特点，气体在溶体凝固过程中来不及溢出，因此，常常会有纳米级孔洞在打印件组织中形成。孔洞的存在会影响其所在区域附近的能量和应力状况，进而影响马氏体相变的难易程度。然而，关于组织中的纳米级孔洞对马氏体相变的影响机理目前研究还很少。
[0003]采用传统的试验观测的方法研究马氏体相变存在以下难度：一方面，由于马氏体相变的发生速度极快，难以采用常规实验手段捕捉其原子行为。另一方面，组织中孔洞形状不标准且周围往往同时存在多种其他缺陷，难以开展定量研究。随着计算机科学的发展和更精确的原子间势函数的开发，分子动力学模拟能够在原子尺度上对材料建模，并提供发生在纳秒时间尺度上的现象的直接观测，因此具备研究马氏体相变机理的强大能力。分子动力学模拟的合理性很大程度上取决于建模策略，然而目前尚无针对含纳米孔洞的钢组织中马氏体相变的分子动力学建模研究，这限制了钢组织中马氏体调控策略的进一步开发。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种模拟含纳米孔洞的钢组织中马氏体相变的分子动力学建模方法。为了实现上述目的，技术方案如下：
[0005]包括以下步骤：
[0006]建立含预置纳米孔洞的不锈钢分子动力学仿真模型；
[0007]模型在等温等压系综(NPT)下弛豫，以使系统能量达到最低值；
[0008]选取能够反映金属材料微观粒子之间的相互作用的势函数；
[0009]设置边界条件；
[0010]通过等温等压系综控制系统的温度；
[0011]通过等温等压系综控制系统的压力；
[0012]使用可视化软件OVITO进行数据分析，通过晶格分析、共近邻分析、位错分析、应变分析和势能分布来分析孔洞对马氏体相变的影响机制。
[0013]进一步地限定，含预置纳米孔洞的不锈钢分子动力学仿真模型的建立是通过下述步骤实现的：(1)分别以晶向[100][101]和[001]为x，y和z三个坐标轴方向，构建在三个坐
标轴方向上尺寸为20～100个晶格单位的模型，并填充符合晶格排列的铁原子，晶格单位长度为初始温度下铁单晶的晶格常数；(2)根据马氏体钢的类型和钢中元素比例，等比例替换模型中的铁原子，以建立含多种元素的马氏体钢模型；(3)移除模型中心直径为1～100个晶格单位的球形或类球形区域内的原子，以使模型内部形成纳米孔洞。
[0014]进一步地限定，所述弛豫时间为0.5纳秒～5纳秒。
[0015]进一步地限定，基于EAM(嵌入原子势)框架的势函数在金属材料的分子动力学模拟中应用，EAM理论假设体系中的每个院子都是嵌入到均不均匀的电子气中，这一假设与研究人员对金属材料中的原子及其周围环境的描述基本相似，能够精确反映金属材料微观粒子之间的相互作用，EAM势函数的总能量计算表达式为：
[0016][0017]其中，F
i
为嵌入为嵌入第i个原子的嵌入能，ρ
h,i
为r
i
处不存在原子i时基体的电子密度，为短程两体势函数，r
ij
为原子i和j之间的距离，f
i
为i原子的电子密度分布。
[0018]进一步地限定，在x、y、z三个方向上均设置为周期性边界条件。晶胞的几何形状满足完美的二维平铺，并且当一个物体穿过模型的一侧时，它会以相同的速度重新出现在另一侧。在x、y、z三个方向上均设置为周期性边界条件以使该纳米尺度的分子动力学模型能够近似无限大的系统。
[0019]进一步地限定，以1～5开尔文/皮秒的速度将初始模型从初始温度升温到奥氏体相变点以上0～300开尔文，再以1～5开尔文/皮秒的速度将模型降温使其发生马氏体转变。
[0020]进一步地限定，将x，y和z三个方向上的压力控制在1～200个大气压强。
[0021]本专利技术基于分子动力学模拟方法，对不同条件下含纳米孔洞的不锈钢马氏体相变过程进行了数值模拟，阐述了升温/降温速率、压力条件、模型尺寸、元素比例时纳米孔洞尺寸对马氏体相变的影响规律，揭示了位错、晶格切变等晶体行为和马氏体相变之间的内在关系，有助于从微观尺度上提高对含纳米孔洞的不锈钢马氏体相变行为的认识，促进马氏体比例调控策略的开发。
[0022]主要研究成果如下：
[0023](1)钢组织中的孔洞会影响降温过程中的马氏体相变温度。由于孔洞对位错滑移的阻挡作用，当模型升温至奥氏体相变点温度以上时，随着孔洞在模型中体积占比的增大组织中的位错含量增加，位错会导致局部的原子晶格畸变，增加原子势能，促进降温过程中马氏体相变的发生，进而提高马氏体相变温度。
[0024](2)纳米孔洞的高表面能会在降温过程中为马氏体相变提供能量，促进马氏体相变的发生，提高马氏体相变的温度。奥氏体相变温度以上时，若孔洞与位错相交，降温过程中马氏体相变会优先形核在孔洞内表面，并沿位错线生长。
[0025]本专利技术减少了试验次数，可以节省大量试验成本以及时间。
[0026]本专利技术对于调控组织中的马氏体含量、进而优化增材制造件的性能具有重要意义。
附图说明
[0027]图1铁单晶晶格模型；
[0028]图2完整的含纳米孔洞不锈钢模型；
[0029]图3含纳米孔洞不锈钢模型剖面图；
[0030]图4奥氏体相变温度以上时模型的晶格变化；
[0031]图5不同纳米孔洞尺寸时的马氏体相变温度；
具体实施方式
[0032]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。
[0033]实施例1：
[0034](1)分子动力学仿真模型建立：建立含预置纳米孔洞的不锈钢模型。分别以晶向[100][101]和[001]为x，y和z三个坐标轴方向，模型在三个坐标轴方向上的尺寸为50个晶格单位，并填充符合晶格排列的铁原子，晶格单位长度为初始温度下铁单晶的晶格常数；再根据不锈钢的类型和元素比例，等比例替换模型中的铁原子，以建立不锈钢模型。移除模型中心直径为10个晶格单位的球形区域内的原子，形成纳米孔洞。
[0035](2)系统弛豫：将模型在等温等压系综(NPT)下弛豫5纳秒，以使系统能量达到最低值。
[0036](3)势函数选取：基于EAM(嵌入原子势)框架的势函数在金属材料的分子动力学模拟中应用广泛。EAM理论假设体系中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟含纳米孔洞的钢组织中马氏体相变的分子动力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：建立含预置纳米孔洞的不锈钢分子动力学仿真模型；模型在等温等压系综(NPT)下弛豫，以使系统能量达到最低值；选取能够反映金属材料微观粒子之间的相互作用的势函数；设置边界条件；通过等温等压系综控制系统的温度；通过等温等压系综控制系统的压力；使用可视化软件OVITO进行数据分析，通过晶格分析、共近邻分析、位错分析、应变分析和势能分布来分析孔洞对马氏体相变的影响机制。2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，含预置纳米孔洞的不锈钢分子动力学仿真模型的建立是通过下述步骤实现的：(1)分别以晶向[100][101]和[001]为x，y和z三个坐标轴方向，构建在三个坐标轴方向上尺寸为20～100个晶格单位的模型，并填充符合晶格排列的铁原子，晶格单位长度为初始温度下铁单晶的晶格常数；(2)根据马氏体钢的类型和钢中元素比例，等比例替换模型中的铁原子，以建立含多种元素的马氏体钢模型；(3)移除模型中心直径为1～100个晶格单位的球形或类球形区域内的原子...

【专利技术属性】
技术研发人员：董志波，李清华，杨来山，张植航，韩放，李承昆，王瀚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：