[发明专利]二元合金中剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用模拟方法

说明书

本发明属于材料模拟领域，具体为一种二元合金中剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用模拟方法。包括如下步骤：S1、基于重位点阵模型构造纯金属双晶模型；S2、通过原子替换方法向纯金属双晶模型中添加一定比例的合金原子，构造出二元合金双晶模型；S3、通过删除原子的方式在二元合金双晶模型内预置出裂纹，构造出含有裂纹的二元合金双晶模型；S4、基于分子动力学方法对含有裂纹的二元合金双晶模型进行弛豫；S5、基于分子动力学方法对平衡状态下的含有裂纹的二元合金双晶模型进行剪切模拟，得到二元合金中剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用的结果。本发明通过随机替换原子的方式构造二元合金体系，可以建立起任意组分、任意浓度的二元合金模型。

技术领域

本发明属于金属材料模拟领域，具体涉及一种二元合金中剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用模拟方法。

背景技术

金属材料在制备、加工成形及使用过程中，不可避免地产生内部或表面的微小缺陷。微缺陷的存在与扩展，是使构件韧性、刚度和强度下降的主要原因。如果通过一些工艺能使制备或者服役过程中产生的微裂纹愈合，构件的使用寿命可被大大提高。目前对金属材料裂纹愈合的外部因素研究往往侧重于高温愈合方法，开展中低温及常温下的裂纹愈合研究对于大幅度降低能源消耗具有重要的理论意义和实用价值。

近期的一些研究工作表明，晶界运动对于金属晶体中裂纹的演化方式也有着重要的影响，例如文献“Crack Healing and Strengthening of Thermally Shocked Alumina,Gupta T K,Journal of the American Ceramic Society,2010,59(5-6):259-262.”中Gupta等人用实验证明了氧化铝中因热冲击导致的空隙和裂纹可以在晶界扩散作用下发生愈合。晶界的运动情况往往很难通过实验直接测量，借助分子动力学模拟方法可以更加清晰直观的观察晶界运动对裂纹形态演化的影响，准确预测出晶体内裂纹在不同温度、压力等条件下的变化。

目前关于金属内剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用的模拟方法多针对纯金属，例如文献“Interaction of shear-coupled grain boundary motion with crack:Crackhealing,grain boundary decohesion,and sub-grain formation,Aramfard M,Journalof Applied Physics,2016,119(8):085308)”，然而在实际应用中，合金材料具有比纯金属更高的强度、硬度及更优异的机械性能，使用范围也更加广泛。现有的纯金属内晶界与裂纹相互作用的模拟方法并不适用于合金体系，无法准确预测出合金内的微裂纹在剪切耦合晶界迁移作用下愈合或扩展的情形。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种二元合金中剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用模拟方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种二元合金中剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用模拟方法，包括如下步骤：

S1、基于重位点阵模型构造含有对称倾转晶界的纯金属双晶模型；

S2、通过原子替换方法向所述纯金属双晶模型中添加一定比例的合金原子，构造出二元合金双晶模型；

S3、通过删除原子的方式在所述二元合金双晶模型内预置出裂纹，构造出含有裂纹的二元合金双晶模型；

S4、基于分子动力学方法对所述含有裂纹的二元合金双晶模型进行弛豫，使其达到给定温度下的平衡状态；

S5、基于分子动力学方法对所述平衡状态下的含有裂纹的二元合金双晶模型进行剪切模拟，得到二元合金中剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用的结果；

S6、采用原子模拟可视化软件对剪切耦合晶界迁移与裂纹相互作用的结果进行分析，观察裂纹愈合和扩展等变化的情况，以及晶界结构的变化。