[发明专利]柱状纳米孪晶的建模方法及基于此的摩擦磨损研究方法

说明书

本发明属于材料模拟领域，具体涉及一种柱状纳米孪晶的建模方法及基于此的摩擦磨损研究方法。首先构建柱状纳米孪晶镍分子动力学仿真模型；然后将压头沿y方向以速度竖直向下，压入基体中，再在基体中给压头施以水平速度，在微正则系综下做匀速摩擦运动；最后进行仿真计算，得到随着时间的变化，压头在基体上摩擦时的摩擦曲线，通过后处理可得到摩擦过程中位错密度的变化，并能够直接观察出摩擦过程中材料微观结构的变化。与传统分子动力学摩擦模拟实验相比较，本发明模型可更加细致明确地观察到柱状纳米孪晶镍在摩擦过程中的微观结构的变化，可用以指导柱状纳米孪晶材料的微观结构对摩擦性能的影响的实验，以便研究出更加耐磨的材料。

技术领域

本发明属于材料模拟领域，具体涉及一种柱状纳米孪晶的建模方法及基于此的摩擦磨损研究。

背景技术

纳米孪晶材料由纳米级孪晶片层组成，通过引入高密度的孪晶面，在不损失材料延展性和热稳定性的前提下，大大提高了材料的强度，硬度、韧性，电导率等力学性能和电学性能。由于孪晶界既可以阻碍位错的滑移，又可以使位错穿过，位错还可以在孪晶界上滑移，这就形成了纳米孪晶塑性变形的三种机制，即位错塞积并穿过孪晶界机制，Shockley不全位错诱导孪晶界迁移机制以及贯穿位错在孪晶片层内受限滑移机制。

对于纳米孪晶材料的塑性变形已有大量研究，但是目前没有对纳米孪晶材料的微观摩擦性能的变形机制进行深入研究，且没有一种简单的方法可用于建造柱状纳米孪晶材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柱状纳米孪晶的建模方法及基于基于此的摩擦磨损研究方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种柱状纳米孪晶的建模方法，包括如下步骤：

步骤(1)建立基体晶胞：选取材料的晶格常数和x、y、z方向对应的晶向，建立晶胞文件，再将晶胞文件进行镜像，得到镜像文件，然后堆叠并得到基体晶胞文件；

步骤(2)多晶的建立：建立基体文本文件，其中包含多晶结构的参数，其中基体高度方向设置为0，即建立二维多晶，以步骤(1)得到基体晶胞文件为单元、以基体文本文件为条件，得到柱状纳米孪晶理想模型；

步骤(3)孪晶界的移动：将柱状孪晶材料理想模型中的孪晶界进行平移，平移时保证模型在建模时与孪晶相匹配的外周的盒子内，将孪晶界平移不同距离，可得到孪晶层片厚度相同但孪晶界位置不同的柱状纳米孪晶平移模型；

步骤(4)多相组合：使用建立多相合金的方法，将孪晶厚度但位置不同的纳米孪晶材料进行多相组合——即将第一种位置的孪晶模型中的ID为1的晶粒删掉，然后将第二种位置的孪晶模型中的ID为1的晶粒留下，其余晶粒删掉，将这两个模型进行堆叠，得到符合实际的柱状纳米孪晶实际模型。

进一步的，步骤(1)中的“堆叠”次数根据取决于实际纳米孪晶的高度。

一种基于上述的方法研究柱状纳米孪晶镍摩擦磨损的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：基于权利要求1-2任一项所述的方法构建柱状纳米孪晶镍模型，建立压头模型，并将柱状纳米孪晶镍模型和压头模型进行堆叠，得到摩擦模型；

步骤(2)：读取摩擦模型，将模型区域的X方向、Y方向和Z方向均设定为周期性边界条件；定义变量，计算所需物理量；

步骤(3)：选取能够描述纳米尺度镍体系中原子间相互作用力的势函数；

步骤(4)：采用共轭梯度法进行能量最小化；

步骤(5)：进行系统弛豫，得到弛豫后模型；

步骤(6)：限定模拟参数、进行模拟：压头以恒定速度压入柱状纳米孪晶镍中，再以恒定速度进行摩擦，并输出摩擦过后的信息；

步骤(7)：数据处理及可视化分析。