合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法以及系统

技术领域

本发明涉及放射性物质转运技术领域，尤其涉及一种合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法以及系统。

背景技术

铁基合金材料是核反应堆中的重要结构材料之一，铁基合金材料经过辐照后产生的位错环通过阻碍位错运动而造成硬化，对材料性能的影响至关重要。

铁基合金材料经过高能粒子辐照后，会产生柏格斯矢量为1/2<111>和<100>的两种间隙型位错环。由于相对于1/2<111>位错环，<100>位错环扩散速率极低，会对硬化产生更深远的影响，因此评价位错环稳定性对于评价不同合金的抗辐照硬化性能有着重要的意义。然而，辐照产生的位错环的尺寸一般在纳米量级，且位错环的转变是一种动力学过程，利用一般的微观分析设备较难对位错环的稳定性做出统计性评价。

发明内容

针对于现有的技术问题，本发明提供一种合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法以及系统，用于至少部分解决以上技术问题。

本发明实施例提供一种合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法，包括：构建金属基体超胞，基于所述金属基体超胞的体积，确定所述金属基体超胞的位错环的属性信息，在所述位错环中插入模拟目标原子，获得所述金属基体超胞的初始模型；选择多个目标温度，基于分子动力学模拟，设定势函数和系综参数，将所述金属基体超胞的初始模型在多个所述目标温度下分别进行弛豫处理；在多个所述目标温度下，分析所述金属基体超胞的位错环的构型在所述弛豫处理过程中的变化，并统计位错环构型在对应所述目标温度下发生变化的转变时间；以及根据多个所述转变时间，拟合所述转变时间随温度变化的方程，计算位错环构型发生变化的转变势垒，以评价位错环稳定性。

本发明实施例还提供一种合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价系统，包括：获得模块，用于构建金属基体超胞，基于所述金属基体超胞的体积，确定所述金属基体超胞的位错环的属性信息，在所述位错环中插入模拟目标原子，获得所述金属基体超胞的初始模型；处理模块，用于选择多个目标温度，基于分子动力学模拟，设定势函数和系综参数，将所述金属基体超胞的初始模型在多个目标温度下分别进行弛豫处理；统计模块，用于分析所述金属基体超胞的位错环的构型在所述弛豫处理过程中的变化，统计位错环构型发生变化的转变时间；以及计算模块，用于根据所述转变时间，拟合所述转变时间随温度变化的方程，计算位错环构型发生变化的转变势垒，以评价位错环稳定性。

根据本发明提供的合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法以及系统,构建金属基体超胞，基于金属基体超胞的体积，确定金属基体超胞的位错环的属性信息，在位错环中插入模拟目标原子，从而获得金属基体超胞的初始模型；选择多个目标温度，基于分子动力学模拟，设定势函数和系综参数，将金属基体超胞的初始模型在多个目标温度下分别进行弛豫处理，弛豫处理过程中，金属基体超胞的位错环的构型会发生转变，统计对应目标温度下位错环构型发生变化的转变时间，根据多个转变时间，拟合转变时间随温度变化的方程，计算位错环转变势垒，转变势垒越高，位错环的稳定性越好，转变势垒越小，位错环的稳定性越差，从而实现在位错环转变的动力学过程中，评价位错环的稳定性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的1/2<111>位错环间隙原子对数量与位错环形成能的关系图；

图3是根据本发明实施例的<100>位错环间隙原子对数量与位错环形成能的关系图；

图4是根据本发明实施例的<100>位错环的可视化模拟图；

图5是根据本发明实施例的位错环转变时间的结果图；

图6示意性示出了根据本发明实施例的合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法的整体流程图；以及

图7是根据本发明实施例的合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本申请实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本申请。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在此公开本发明结构实施例和方法的描述。应当了解，这并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，本发明可以通过使用其它特征，元件、方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。

铁基合金材料经过高能粒子辐照形成的金属基体损伤是引起辐照脆化的关键因素。在辐照铁基合金材料时，金属基体损伤是由于入射粒子与晶格点阵原子相互作用引发的级联碰撞，此过程会在金属基体中产生大量缺陷。经过长时间辐照缺陷的退火，分布于金属基体中的点缺陷经过扩散、复合、吸收和发射等过程，会形成各种不同尺寸的间隙团簇、空位团簇和位错环等稳定缺陷。

铁基合金材料经过高能粒子辐照后，会产生柏格斯矢量为1/2<111>和<100>的两种间隙型位错环，其中，高能粒子包括电子、中子、质子、α粒子和重离子等。由于相对于1/2<111>位错环，<100>位错环扩散速率极低，会对硬化产生更深远的影响，因此评价位错环稳定性对于评价不同合金材料的抗辐照硬化性能有着重要的意义。然而，辐照产生的位错环的尺寸一般在纳米量级，且位错环的转变是一种动力学过程，利用一般的微观分析设备较难对位错环的稳定性做出统计性评价。

图1是根据本发明实施例的合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法的流程图。

本发明实施例提出一种合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法,包括构建金属基体超胞，基于金属基体超胞的体积，确定金属基体超胞的位错环的属性信息，在位错环中插入模拟目标原子，获得金属基体超胞的初始模型；选择多个目标温度，基于分子动力学模拟，设定势函数和系综参数，将金属基体超胞的初始模型在多个目标温度下分别进行弛豫处理；在多个目标温度下，分析金属基体超胞的位错环的构型在弛豫处理过程中的变化，并统计位错环构型在对应目标温度下发生变化的转变时间；以及根据多个转变时间，拟合转变时间随温度变化的方程，计算位错环构型发生变化的转变势垒，以评价位错环稳定性。

根据本实施例提供的金属原子位错环稳定性模拟评价方法，构建金属基体超胞，基于金属基体超胞的体积，确定金属基体超胞的位错环的属性信息，在位错环中插入模拟目标原子，从而获得金属基体超胞的初始模型；选择多个目标温度，基于分子动力学模拟，设定势函数和系综参数，将金属基体超胞的初始模型在多个目标温度下分别进行弛豫处理，弛豫处理过程中，金属基体超胞的位错环的构型会发生转变，统计对应目标温度下位错环构型发生变化的转变时间，根据多个转变时间，拟合转变时间随温度变化的方程，计算位错环转变势垒，转变势垒越高，位错环的稳定性越好，转变势垒越小，位错环的稳定性越差，从而实现在位错环转变的动力学过程中，评价位错环的稳定性。

本发明实施例提供的合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法，包括S110-S140。

图1是根据本发明实施例的合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法的流程图。

在操作S110中，构建金属基体超胞，基于金属基体超胞的体积，确定金属基体超胞的位错环的属性信息。在位错环中插入模拟目标原子，获得金属基体超胞的初始模型。

在一种示意性的实施例中，上述操作S110中，位错环的属性信息包括位错环形状、大小、位置和惯习面。位错环构型包括<100>位错环和1/2<111>位错环。

根据本公开的实施例，合金材料可以是铁基合金材料，例如Fe-Cr、Fe-Cu、Fe-Ni等合金，构建金属基体超胞，以含有16000个原子的α-Fe组成的立方体超胞为例，基于金属基体超胞的体积，确定金属基体超胞的位错环的形状、大小、位置和惯习面。

图2是根据本发明实施例的1/2<111>位错环间隙原子对数量与位错环形成能的关系图。图3是根据本发明实施例的<100>位错环间隙原子对数量与位错环形成能的关系图。

由于高能粒子辐照后，级联碰撞复杂，在确定金属基体超胞的位错环的过程中，选择正方形、正六边形和圆形三种形状作为<100>位错环和1/2<111>位错环的初始的形状。如图2所示，在尺寸较大时，圆形和正方形初始的形状的位错环形成能比正六边形略高，根据能量最低原理，在后续模拟中，我们选择正六边形作为1/2<111>位错环的初始的形状。

如图3所示，<100>位错环初始形状弛豫后，并不是所有尺寸的初始形状最终都能形成<100>位错环，如图5所示，当位错环的初始形状为正方形时，形成位错环成功率最高，正六边形最低，正方形居中。而且尺寸相近的条件下，圆形和正六边形初始形状的位错环形成能比正方形高。综合能量最低原理和位错环成功率，选择正方形作为<100>位错环的初始形状。

基于位错理论，以含有16000个原子组成的α-Fe立方体超胞为例，确定位错环的中心为金属基体超胞的中心，位错环内间隙原子对数量范围为60-180个，1/2<111>位错环的形状选择正六边形，<100>位错环的形状选择正方形，位错环所在的平面为位错环的惯习面。

在一种示意性的实施例中，上述操作S110中，模拟目标原子包括多层原子，模拟目标原子插入位错环惯习面的中心。

根据本公开的实施例，模拟目标原子可以是Cr原子、Ni原子等，在此不作限定。在合金材料为Fe-Cr合金的情况下，模拟目标原子为多层Cr原子。在含有16000个原子组成的α-Fe立方体超胞的位错环惯习面的中心插入多层Cr原子，获得初始模型。

在一种示例性实施例中，还包括在位错环中插入模拟目标原子后，进行能量最小化处理。

图4是根据本发明实施例的<100>位错环的可视化模拟图。

根据本公开的实施例，在位错环中插入模拟目标原子后，位错环不够准确，利用分子动力学方法进行能量最小化处理，反复迭代调整原子位置，以降低系统的总能量，如图4所示，使得位错环通过可视化软件呈现，提升了位错环模拟的准确度。

在一种示例性实施例中，获得金属基体超胞的初始模型后，判断是否成功构建金属基体超胞初始模型，在金属基体超胞的初始模型构建失败的情况下，需要重新确定金属基体超胞的位错环的形状、大小、位置和惯习面。

根据本公开的实施例，在可视化软件呈现的位错环未完全闭合的情况下表征金属基体超胞初始模型构建失败，基于位错理论，重新调整位错环的大小、形状和位置进行重新模拟。

在操作S120中，在金属基体超胞的初始模型构建成功的情况下，选择多个目标温度，基于分子动力学模拟，设定势函数和系综参数，将金属基体超胞的初始模型在多个目标温度下分别进行弛豫处理。

在一种示意性的实施例中，上述操作S120中，目标温度范围为300K-1100K。

根据本公开的实施例，基于分子动力学模拟，在不同目标温度下，设定分子动力学的势函数和系综参数，对含有16000个原子组成的α-Fe立方体超胞的位错环惯习面的中心插入多层Cr原子的初始模型进行弛豫处理模拟。在弛豫处理过程中，位错环的构型会发生转变，部分<100>位错环转变为1/2<111>位错环。

在操作S130中，在多个目标温度下，分析金属基体超胞的位错环的构型在弛豫处理过程中的变化，统计位错环构型在对应目标温度下发生变化的转变时间。

根据本公开的实施例，采用可视化软件分析位错环的构型，判断位错环的构型是否由<100>位错环转变为1/2<111>位错环，统计位错环发生变化的转变时间。

图5是根据本发明实施例的位错环转变时间的结果图。

如图5所示，在同种Cr含量的情况下，随着目标温度的不断升高，位错环转变时间逐渐减小，<100>位错环越容易转变为1/2<111>位错环。

在操作S140中，根据多个转变时间，拟合转变时间随温度变化的方程，计算位错环构型发生变化的转变势垒，以评价位错环稳定性。

如图5所示，在同种Cr含量的情况下，<100>位错环的转变时间随温度变化的表达式。

在一种示例性实施例中，位错环转变时间随温度变化的表达式：

v

v

其中，v

具体地，温度T时位错环转变速率随温度变化关系式，符合阿伦尼乌斯公式(Arrhenius equation)，得知表达式一；根据温度T时位错环转变速率和温度T时位错环转变时间，以及初始温度位错环转变速率和初始温度位错环转变时间，得知表达式二，根据表达式一和表达式二求得表达式三，即表达式四：

根据已知的初始温度位错环转变时间、温度T时位错环转变时间和温度T，通过表达式四求得转变势垒E。由此可知，温度越小，转变势垒越大，位错环的稳定性越好；转变势垒越小，位错环的稳定性越差，从而实现在位错环转变的动力学过程中，评价位错环的稳定性。

图6示意性示出了根据本发明实施例的合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价方法的整体流程图。

根据本公开的实施例，如图6所示，该实施例包括操作S601～S612。

在操作S601，构建金属基体超胞。

在操作S602，基于金属基体超胞的体积，确定金属基体超胞的位错环的属性信息。

在操作S603，在位错环中插入模拟目标原子。

在操作S604，能量最小化处理。

在操作S605，判断是否成功构建金属基体超胞的初始模型。若是，则执行操作S606，若否，则执行操作S602。

在操作S606，选择多个目标温度。

在操作S607，基于分子动力学模拟，设定势函数和系综参数。

在操作S608，将金属基体超胞的初始模型在多个目标温度下分别进行弛豫处理。

在操作S609，判断金属基体超胞的位错环的构型在弛豫处理过程中是否发生转变。若是，则执行操作S610，若否，则执行操作S608。

在操作S610，统计位错环构型在对应目标温度下发生变化的转变时间。

在操作S611，根据多个转变时间，拟合位错环转变时间随温度变化的表达式。

在操作S612，计算位错环构型发生变化的转变势垒。

图7是根据本发明实施例的合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价系统的结构框图。

本发明实施例还提出一种合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价系统，如图7所示，合金材料的金属原子位错环稳定性模拟评价系统700包括获得模块710、处理模块720、统计模块730和计算模块740。获得模块710用于构建金属基体超胞，基于金属基体超胞的体积，确定金属基体超胞的位错环的属性信息，在位错环中插入模拟目标原子，获得金属基体超胞的初始模型；处理模块720用于选择多个目标温度，基于分子动力学模拟，设定势函数和系综参数，将金属基体超胞的初始模型在多个目标温度下分别进行弛豫处理；统计模块730用于分析金属基体超胞的位错环的构型在弛豫处理过程中的变化，统计位错环构型发生变化的转变时间；计算模块740用于根据转变时间，拟合转变时间随温度变化的方程，计算位错环构型发生变化的转变势垒，以评价位错环稳定性。

根据本实施例提供的合金材料金属原子位错环稳定性模拟评价方法以及系统,构建金属基体超胞，基于金属基体超胞的体积，确定金属基体超胞的位错环的属性信息，在位错环中插入模拟目标原子，从而获得金属基体超胞的初始模型；选择多个目标温度，基于分子动力学模拟，设定势函数和系综参数，将金属基体超胞的初始模型在多个目标温度下分别进行弛豫处理，弛豫处理过程中，金属基体超胞的位错环的构型会发生转变，统计对应目标温度下位错环构型发生变化的转变时间，根据多个转变时间，拟合转变时间随温度变化的方程，计算位错环转变势垒，转变势垒越高，位错环的稳定性越好，转变势垒越小，位错环的稳定性越差，从而实现在位错环转变的动力学过程中，评价位错环的稳定性。

上述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上上述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。