一种基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法，属于计算材料领域。所述模拟方法包括：建立基于分子动力学的三维金属模型；选取模拟体系的势函数；系综以及边界条件的设置；设置熔化温度，并设置该熔化温度下的弛豫时间；设置冷却速度以及冷却目标温度；设置等温时间，在等温过程中施加流场，模拟金属在流场作用下的等温凝固过程。由于流场的本质是速度场，所以施加速度场之后要对等温阶段的温度进行修正。本发明可以揭示流场对金属凝固过程中形核和长大过程的影响规律，对铸造中施加流场工艺的制定具有指导作用。

说明书

技术领域

本发明属于计算材料领域，具体涉及一种基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法。

背景技术

铸造过程中，控制好晶粒尺寸对提高金属的力学性能至关重要。传统的金属晶粒细化方式主要有化学细化法、物理细化法和工艺细化法。其中，复合剪切流铸造工艺是一种新型铸造工艺，通过在熔体凝固时对其施加复合剪切流场，使其在流场作用下发生凝固，相对于传统铸造方式，复合剪切流铸造能达到组织均匀和晶粒细化的目的。例如，在凝固过程中施加复合流场之后，Al-7Si合金在凝固后的晶粒得到明显细化，合金的强度、塑性和韧性都明显提高。

但是，由于金属的凝固发生在高温下，金属熔体的形核和长大是一个非常复杂的过程，而均匀形核只发生在理想情况下，同时实际形核过程从过冷熔体的内部开始，由于金属的不透明性很难通过实验直接观察形核过程，无法对合金进行均匀形核的研究；另外，固-液界面自由能及其各向异性的量化很困难，因此，很难通过实验研究流场作用下晶粒的形核和长大及流场下金属熔体中晶粒细化的机理。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法，加深对凝固行为的认识，揭示流场对金属凝固过程的具体作用规律。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法，包括如下步骤：

建立基于分子动力学的三维金属模型；

基于所述三维金属模型及金属种类，选择进行分子动力学模拟的势函数；

设置进行分子动力学模拟的系综以及边界条件；

设置好系综以及边界条件之后，将模型温度设置为当前金属熔点及以上，并设置弛豫时间，模拟金属由固态熔化至熔融状态；

再将模型温度设置为冷却目标温度，并设置冷却速度，模拟熔融状态金属降温过程；

在冷却目标温度下，设置等温保温时间，并在保温时间内对金属模型施加至少一个方向速度场，通过施加速度场达到施加流场的效果，模拟金属模型在流场作用下从熔融状态到形核和长大的凝固过程；

对三维金属模型的凝固过程进行可视化观察，并求解形核率、临界形核半径以及形核和长大过程中的特征生长因子，研究流场对凝固形核和长大的影响规律。

作为本发明的一个优选实施例，所述金属模型采用lammps软件建立。

作为本发明的一个优选实施例，所述凝固过程势函数，选自EAM、A-EAM、MEAM和ADP势函数中的一种或多种。

作为本发明的一个优选实施例，所述系综采用等温等压（NPT）系综，温度由Noose-Hoover恒温器控制；所有模拟在x，y，z方向均采用周期性边界条件。

作为本发明的一个优选实施例，施加速度场的过程，使用lammps中的velocity命令来实现。

作为本发明的一个优选实施例，所述施加速度场，同时施加x、y、z三个方向的速度场。

作为本发明的一个优选实施例，所述施加速度场，同时施加x、y或y、z或x、z两个方向的速度场，以x、y为例，x和y方向的速度场设置为随坐标轴呈线性增大的速度场，其中y方向设置为x方向速度大小的两倍，以模拟复合剪切流场。

作为本发明的一个优选实施例，在施加速度场的同时，对当前温度进行温度修正。

作为本发明的一个优选实施例，所述温度修正，使用fix_modify和thermo_modify命令对温度进行修正。

本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明实施例所提供的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法，采用lammps软件，从原子尺度的分子动力学角度对金属在流场下的凝固过程进行了模拟，增加了使用lammps模拟金属凝固的新方法，同时也填补了模拟金属在流场作用下凝固的空白，更加真实地反应出流场条件下金属的凝固过程，对于不同流场，只需要改变命令参数即可，可以实现复杂流场的建模；加深了对凝固行为的认识，揭示流场对金属凝固过程的具体作用规律，对铸造中施加流场工艺的制定具有指导作用，最终达到金属晶粒细化以及力学性能提高的目的。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例所提供的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法的流程图；

图2是本发明一个具体实例中未施加流场作用下模拟的金属凝固过程图；

图3是本发明一个具体实例中施加流场作用下模拟的金属凝固过程图。

具体实施方式

本申请发明人在发现上述问题后，对现有的流场作用下金属凝固研究方法进行了深入研究。研究发现，可以采用分子动力学（MD）模拟的方法来直观观察金属凝固形核过程，以更好的认识金属凝固过程中团簇演变机理，同时还能得到传统实验手段无法得到的重要参数和信息。利用MD研究在凝固过程中流场对形核的影响以及研究形核过程中流场作用下团簇的演变规律，对于高性能材料的制备有重要的指导作用。

例如，现有技术中有些学者采用大尺度分子动力学方法研究冷却速度对铝液凝固过程的影响，研究发现，液体中存在多种短程有序（SRO）结构，其中类二十面体（ICO）结构占主导地位，研究还发现，在合适的冷却速度下可以获得纳米晶Al，并通过跟踪纳米团簇的演化深入探讨了其形成机制；还有学者采用分子动力学模拟研究了纯金属Fe的均匀形核，研究发现，在形核过程的中间有一些卫星状的小团簇粒围绕着先前形成的大团簇，这些小团簇分布不均匀，同时，具有孪晶界的团簇是从先前形成的团簇表面非均匀形核而形成的；也有学者对高分子在流场下作用下形核进行了模拟研究，在模拟中，通过单轴拉伸产生应变以及两个方向施加剪切应变，研究了应变对高分子形核的影响，结果表明，高分子的形核率与应变速率有关，形核动力学的增强归因于应变速率对扩散的贡献，从而增加形核率。但是，对于金属在流场作用下凝固的分子动力学模拟，目前很少有这方面的研究。特别是针对复合剪切流场条件下凝固形核的机制以及复合剪切流场作用下晶粒细化机理的研究，还未见报导。

目前，密度泛函理论（DFT），Monte Carlo模型，元胞自动机模型和相场模型在内的微尺度和中尺度模拟已经成功地揭示了微观结构演化的本质。但是基于DFT电子结构计算的研究仅限于几百个原子，Monte Carlo模型、元胞自动机模型以及相场模型仅限于微尺度模拟。

应注意的是，以上现有技术中的方案所存在的不足，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

经过上述深入分析后，本发明提供了一种基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法，以模拟流场对金属凝固形核和长大过程的影响，通过运用lammps内置的velocity命令，实现了使用分子动力学对流场条件下金属凝固形核和长大研究的模拟。本发明采用先冷却后保温的模拟思路，可以更好地观测凝固过程中形核以及长大过程，有利于后续形核率的计算。

如图1所示，本发明实施例所提供的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法，包括如下步骤：

步骤S1，建立基于分子动力学的三维金属模型。

本步骤中，所述三维金属模型可以采用lammps软件建立，也可以采用其他具有分子动力学属性的软件建立。

步骤S2，基于所述三维金属模型及金属种类，选择进行分子动力学模拟的势函数。

本步骤中，所述势函数，可以选自EAM、A-EAM、MEAM和ADP势函数中的一种或多种。势函数是否合适决定分子动力学模型模拟结果的准确性。

步骤S3，设置进行分子动力学模拟的系综以及边界条件。

本步骤中，所述系综采用等温等压（NPT）系综，温度由Noose-Hoover恒温器控制。所有模拟在x，y，z方向均采用周期性边界条件。

步骤S4，设置好系综以及边界条件之后，将模型温度设置为当前金属熔点及以上，并设置弛豫时间，模拟金属由固态熔化至熔融状态。

本步骤中，当开始模拟后，金属模型中的金属开始逐渐呈现出熔化状态，并在弛豫完成后，由固态完全转变为熔融状态。

步骤S5，再将模型温度设置为冷却目标温度，并设置冷却速度，模拟熔融状态金属降温过程。

步骤S6，在冷却目标温度下，设置等温保温时间，并在保温时间内对金属模型施加至少一个方向的速度场，通过施加速度场达到施加流场的效果，模拟金属模型在流场作用下从熔融状态到形核和长大的凝固过程。

本步骤中，模拟了流场作用下金属凝固的过程，呈现金属原子基于分子动力学原理形成晶体的过程。流场的本质是速度场，本步骤通过施加速度场，模拟流场作用。所述施加过程，使用lammps中的velocity命令来实现，为原子施加速度场，以达到流场的效果。所述速度场，可以是一个方向，也可以是多个方向。当存在多个速度场时，所模拟的是复合流场，通过重复使用velocity命令或者修改不同参数来实现。

优选地，本步骤还包括：

在施加速度场的同时，对当前温度进行温度修正。所述对温度修正，根据预定的间隔时间段进行修改。在分子动力学中，体系的温度与原子速度有关。温度由公式KE=dim/2NKT计算得到，其中dim为模拟维度，N为原子数，K为玻尔兹曼常数，T为温度。在一些例如拉伸和流体的模拟中，体系的温度并不能完全按照以上公式进行计算，在计算过程中应当去除原子额外施加速度对温度的贡献部分，对温度进行修正，以尽可能接近金属凝固的真实温度。所以，在等温阶段施加速度场之后，使用fix_modify和thermo_modify命令对体系温度进行修正，使模拟结果更加准确。

步骤S7，在步骤S4-6执行过程中，实时采集模型数据，根据模型数据进行金属凝固过程可视化展示，对三维金属模型的凝固过程进行可视化观察，并求解形核率、临界晶核半径以及形核和长大过程中的特征生长因子，研究流场对凝固形核和长大的影响规律。其中，可以采用ovito软件或VMD软件对三维金属模型的凝固过程进行可视化观察；采用平均首次通过时间（Meam First-Passage Times，MFPT）方法求解形核率和临界形核半径，使用相变动力学定律（JMA）方法求解形核和长大过程中的特征生长因子。

本步骤中，lammps输出的dump文件可以使用可视化软件ovito或VMD对凝固过程进行可视化观察，并可使用ovito中的cluster analysis功能将团簇筛选出来，将团簇信息导出之后可根据导出数据绘制团簇大小与时间曲线，并可用MFPT方法求出临界形核半径和形核率信息。还可以根据lammps输出的log文件中的体系体积信息绘制原子体积与时间的曲线，并用相变动力学定律（JMA）求出长大过程的特征生长因子，以此来研究形核和长大模式。绘制曲线及其拟合采用Origin、Python等软件。

下面以Al-7Si合金为例，对本发明实施例所提供的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法作进一步详细说明。

按Al-7Si合金成分及配比，采用lammps软件建立Al-7Si合金模型，选取ADP势函数作为凝固过程势函数，采用等温等压（NPT）系综，温度由Noose-Hoover恒温器控制，在x，y，z方向均采用周期性边界条件。

设置模型的熔化温度及弛豫时间、冷却目标温度及冷却速度、目标温度下的保温时间。所述熔化温度为1500K，弛豫时间为100ps，冷却速度为10

实时采集Al-7Si合金模型在凝固过程中的所有数据，并根据数据通过ovito软件进行可视化展示，使用ovito软件将团簇信息输出之后，通过使用Origin软件绘制团簇尺寸随时间的演化曲线，并用Python程序结合MFPT方法拟合出MFPT曲线，求得形核率和临界形核半径。作为对比，本实施例中还增加了未施加流场的模拟过程。

图2为未施加流场时的Al-7Si合金模型所模拟的凝固过程，图3为本实施例中施加流场时的Al-7Si合金模型所模拟的凝固过程。如图2和图3所示，在流场作用下，团簇数量明显增多且相对较细小；形核率由平均首次通过时间（MFPT）方法得到，未施加流场条件下的形核率为1.01×10

由此可见，本实施例基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法可以较准确的模拟金属凝固的过程。在施加了流场的金属凝固过程中，流场从分子层面上对金属分子或原子的形核动力及长大动力进行干预，本实施例的方法准确模拟了这一干预过程，并准确预测出在所施加流场下的形核率，为金属凝固动力学及凝固实验提供了准确的理论指导及参考数据。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的基于分子动力学的流场作用下金属凝固的模拟方法，采用lammps软件，从原子尺度的分子动力学角度对金属在流场下的凝固过程进行了模拟，增加了使用lsmmps模拟金属凝固的新方法，同时也填补了模拟金属在流场作用下凝固的空白，更加真实地反应出流场条件下金属的凝固过程，对于不同流场，只需要改变命令参数即可，可以实现复杂流场的建模；加深了对凝固行为的认识，揭示流场对金属凝固过程的具体作用规律，对铸造中施加流场工艺的制定具有指导作用，最终达到金属晶粒细化以及力学性能提高的目的。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random AccessMemory，RAM）等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。