[发明专利]一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法

摘要

本发明涉及了一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法，其具体方法如下：(1)分子动力学仿真模型的建立；(2)系统弛豫；(3)势函数的选取；(4)边界条件选取；(5)载荷控制。本发明方法基于分子动力学方法，对单晶及多晶钛内微裂纹扩展过程进行了数值模拟，考察了不同环境因素下、不同载荷条件下、不同类型裂纹的扩展情况，阐述了载荷性质、应变率、频率和方向及环境温度对裂纹扩展的影响，揭示了位错，晶界，晶格相变等晶体行为与裂纹扩展之间的内在关系。同时，揭示裂纹对材料内部能量、体应变等物理量影响的作用规律，归纳得出钛晶体中裂纹的扩展机理，从微观尺度上提高对含裂纹钛材料的力学行为的认识。

主权项

1.本发明涉及一种单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学构建方法，其特征在于：具体步骤如下：/n(1)分子动力学仿真模型的建立：建立含预置微裂纹的单晶钛模型，分别以以晶向[1 0-1 0]、[0 0 0 1]和[1 2 -3 0]为x、y及z三个坐标轴方向。模型尺寸为50×30×4个晶格单位，共28865个原子，通过剔除指定区域内的原子，在模型中心预置8×0.2×0.2晶格单位的细长微裂纹，建立多晶钛模型，首先建立初始的单晶系，分别以晶向[10-10]、[1-210]和[0001]为x、y及z三个坐标轴方向，z轴即为晶格c轴，根据Voronoi算法将建立的单晶钛模型划分为多个晶粒区域，在单晶钛模型内随机分布n个种子，n为晶胞个数，然后根据Voronoi算法以种子为中心划分出n个空间，本方法中n取为48，每个空间随机旋转不同角度，相邻种子的连接线的中垂线为晶界；/n(2)系统弛豫：选择等温等压系综(NPT)进行平衡约束，利用Nose-Hoover热浴法来调节系统温度，以使系统初始模型达到平衡状态；/n(3)势函数的选取：势函数类型采用EAM(嵌入原子势函数)，因其能够精确地反映金属材料微观粒子之间的相互作用；/n(4)边界条件选取：在拉伸方向选取包覆式边界条件，即边界会随模型尺寸变化而变化，始终包裹住模型内的原子；其余两个方向选择周期性边界条件；/n(5)载荷控制：不论拉伸还是剪切，都用速度标定控制，赋予上边界层以移动速度，牛顿层沿拉伸方向从上至下呈线性梯度分布，载荷方向以外的两个方向上速度设置为NULL，即在控制程序中缺省不加以标定，载荷的速度与原子自由热运动的速度叠加，两者之间并不矛盾，拉伸载荷与剪切载荷区别只在于速度方向不同,下边界层保持固定不动。恒定应变率拉伸载荷的大小依次设定为1×10^-7至8×10^-7ps的8个数值，在程序中换算成对应的/ps，疲劳载荷的施加通过循环变量loop型变量y控制，变量y为仿真步数i的函数，根据不同的疲劳载荷形式有不同的函数方程。/n