[發明專利]用于計算固溶體合金材料中位錯結構和力學性能的方法

在審

• 申請號: 201710631692.3
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107391863A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 凡頭文;陳東初;張敏;許石秀;譚新君;林家進;朱勇;譚新輝;曹建平
• 申請（專利權）人: 佛山科學技術學院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務所(普通合伙)11491
• 代理人: 黃耀鈞

技術領域

本發明屬于金屬材料熱處理技術理論研究領域，尤其涉及一種用于計算固 溶體合金材料中位錯結構和力學性能的方法。

背景技術

在位錯研究領域，國外軟件代碼無疑占據絕對的統治地位。國外早期對固 溶體位錯的研究是基于彈性位錯理論，但在嚴重畸變位錯芯區只能采用常數勢 阱來代替，忽略了位錯芯區的結構特征，不能描述溶質原子在位錯芯區的分布 狀況，而現代合金技術要求精確掌握溶質原子在位錯芯區的偏聚，以便進一步 研究諸如析出相成核，位錯脫釘扎、孿晶形核等重要的物理現象。因此，彈性 位錯理論顯然不適合現代合金技術發展的要求。最近的研究方法是直接用基于 密度泛函的第一原理計算的溶質原子與位錯的相互作用來研究固溶體位錯。但 該方法由于一次計算只能確定溶質原子替換一個晶格位置的基底原子時的偏析 能，計算量巨大，需要消耗大量的計算資源，并且通常計算也非常復雜，對人 員的素質要求很高，培訓期長，使得其計算效率非常低。因此，有人加以改進， 提出了用簡便方法來考慮位錯與溶質原子的相互作用，即分為兩個部分考慮— —化學相互作用和尺寸相互作用并分別加以近似計算。其結果幾乎與第一原理 的計算結果是相同的，而速度已經遠遠超出直接第一原理計算的方案。但該方 法認定溶質原子時均勻分布的、位錯的結構如位錯分解寬度保持不變，而實驗 觀測溶質原子對層錯能和位錯分解寬度的影響非常大，有的甚至能極大地降低 材料的層錯能，從而使得層錯寬度非常大。因此，該理論研究與通常的實驗結 果是不相符合的。更新的方法是結合第一原理計算的溶質原子與位錯芯區的相 互作用和其他區域的彈性理論計算結果來共同研究。此方法也是在計算速度上 有一定的改進，但與前一個方法一樣，不能考慮溶質原子對位錯結構的影響， 認定溶質原子時均勻分布的、不改變位錯的分解寬度，因此也不能很好地描述 位錯性能。國內在位錯研究領域特別是固溶體位錯領域起步較晚，技術細節開 發遠遠不夠。

綜上所述，現有技術存在的問題是：現有的計算方法溶質原子時均勻分布 的、不改變位錯的分解寬度。而實驗觀測溶質原子對層錯能和位錯分解寬度的 影響非常大，有的甚至能極大地降低材料的層錯能，從而使得層錯寬度非常大。 實驗和理論存在著非常大的差別；解決的難度是如何確定溶質原子在位錯中的 分布狀態，如何應用Peierls-Nabarro模型來計算晶體中位錯的離散應變場，以及 如何結合第一性原理的廣義層錯能(GSFE)、溶質原子與缺陷的相互作用、 Peierls-Nabarro位錯模型以及費米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布函數來研究溶質原 子的分布對固溶體合金材料中位錯的結構和力學性能的影響。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種用于計算固溶體合金材料中 位錯結構和力學性能的方法。

本發明是這樣實現的，一種用于計算固溶體合金材料中位錯結構和力學性 能的方法，所述用于分析合金材料固溶體中位錯結構和力學性能的方法從數值 模擬位錯最為廣泛接受的Peierls-Nabarro模型計算出滑移面上位移矢量和應變 場；結合第一原理計算的溶質原子與廣義層錯及基底的體積和扭轉相互作用， 應用Fermi-Dirak統計分布得出溶質原子在位錯上的偏聚情況；運用相關方法計 算出溶質原子在均勻分布和偏聚狀態下對固溶體合金材料位錯結構和力學性能 的影響。

進一步，所述用于計算固溶體合金材料中位錯結構和力學性能的方法包括： 改進的位錯二維Peierls-Nabarro模型；

位錯線總能量E_T由滑移面上下兩部分彈性應變能E_el，滑移面上錯排能E_A， 以及溶質原子與位錯的總相互作用能E_int三部分構成，E_T＝E_el+E_A+E_int；位錯線 總能量是滑移面上下面錯配度u(η)的泛函數，滿足邊界條件u(-∞)＝0和u(∞)＝b。 其中η是滑移面上垂直于位錯線方向ξ的矢量，滑移面上下兩部分彈性應變能E_el表示為：