[发明专利]基于缺陷性质和多尺度模拟的晶界结构搜索方法

说明书

本发明公开了一种基于缺陷性质和多尺度模拟的晶界结构搜索方法，属于核材料辐照损伤模拟技术领域，该方法结合缺陷能量学性质和多尺度模拟，通过考察晶界结构和能量与缺陷浓度关系，可给出辐照缺陷诱导的晶界结构变化过程。同现有的模拟方法相比，本方法考虑了缺陷的占据与演化过程，更具有物理意义。

技术领域

本发明核材料辐照损伤模拟技术领域，尤其涉及一种基于缺陷性质和多尺度模拟的晶界结构搜索方法。

背景技术

材料遭受高能粒子(如中子、离子)辐照时，会产生空位、自间隙原子等辐照缺陷。这些辐照缺陷通常会偏聚到缺陷阱如晶界处，进而可能改变其结构。缺陷与晶界作用可能有两种方式。一方面晶界具有确定的结构，作为缺陷运动的背景，缺陷可以扩散、团簇化；另一方面缺陷会导致晶界结构改变，使晶界发生相变，缺陷最终成为晶界结构的一部分，而失去其“缺陷”的属性。目前搜索晶界结构的方法仅仅从几何的角度，考虑格点的排列组合。实际上对于给定的晶界结构，其缺陷具有固定的格点位置，而且在一定温度下，缺陷的演化是个多尺度过程。因此，需要开发一种基于缺陷性质和多尺度模拟的晶界结构搜索算法，以模拟辐照缺陷诱导的晶界结构变化过程。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出一种基于缺陷性质和多尺度模拟的晶界结构搜索方法，适用于研究辐照缺陷诱导的晶界结构变化过程。

本发明采用以下技术方案来实现：

本发明提供了一种基于缺陷性质和多尺度模拟的晶界结构搜索方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据重位点阵理论建立初始晶界模型，并弛豫之；计算晶界附近格点缺陷形成能，并以最小缺陷形成能所处的位置确定缺陷最稳定占据位置；

步骤S2：确定最小晶界结构的结构单元尺寸、原子坐标、缺陷占据坐标；

步骤S3：设定平行晶界方向最小结构单元复制数；

步骤S4：复制缺陷占据坐标，复制最小结构单元坐标，生成缺陷随机占据序列；

步骤S5：对于其中某个占据序列，修改结构单元中原子坐标；

步骤S6：设置平行晶界方向晶粒相对滑移步长、步数；

步骤S7：对于某个滑移量，相对滑移晶粒；

步骤S8：弛豫滑移后的晶界模型；

步骤S9：计算晶界能密度，先判断是否已经达到最大滑移量，若未达到最大滑移量，则回到步骤S7重新位移晶粒，若已经达到最大滑移量，则判断是否已遍历所有缺陷序列，若未遍历所有缺陷序列，则回到步骤S5重新修改结构单元中原子坐标，若已遍历所有缺陷序列，则输出缺陷序列对应的缺陷比例、最小晶界能密度和晶界结构；

步骤S10：判断是否已遍历结构单元复制数，是则结束，否则回到步骤S3，重新设定平行晶界方向最小结构单元复制数。

上述方法仅考虑缺陷的占据情况，未考虑缺陷的团簇化过程，若要既考虑缺陷占据性质，又考虑缺陷团簇化过程，则在步骤S5后还包括：利用格点动力学蒙特卡洛(LKMC)方法弛豫构型。

优选地，

在利用LKMC方法弛豫构型前，须事先构建缺陷在界面附近跃迁速率表格。

所述LKMC方法弛豫构型的方法，包括：

步骤S501：对于给定的界面，建立LKMC格点与缺陷态之间的映射；对于空位，LKMC中的晶格拓扑图形与晶界实际的原子晶格相同，相应原子号即为LKMC中晶格号；对于自间隙原子，其LKMC晶格与原子晶格存在平移关系，而且在晶界附近结构弛豫以后自间隙原子通常会凝聚到同一个态上，通过判断弛豫后自间隙态之间距离，避免相同态跃迁；