[發明專利]柱狀納米孿晶的建模方法及基于此的摩擦磨損研究方法

在審

• 申請號: 202211054446.3
• 申請日: 2022-08-31
• 公開（公告）號: CN115424686A
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 張子悅;張棋程;陳翔
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G16C10/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張玲

本發明屬于材料模擬領域，具體涉及一種柱狀納米孿晶的建模方法及基于此的摩擦磨損研究方法。首先構建柱狀納米孿晶鎳分子動力學仿真模型；然后將壓頭沿y方向以速度豎直向下，壓入基體中，再在基體中給壓頭施以水平速度，在微正則系綜下做勻速摩擦運動；最后進行仿真計算，得到隨著時間的變化，壓頭在基體上摩擦時的摩擦曲線，通過后處理可得到摩擦過程中位錯密度的變化，并能夠直接觀察出摩擦過程中材料微觀結構的變化。與傳統分子動力學摩擦模擬實驗相比較，本發明模型可更加細致明確地觀察到柱狀納米孿晶鎳在摩擦過程中的微觀結構的變化，可用以指導柱狀納米孿晶材料的微觀結構對摩擦性能的影響的實驗，以便研究出更加耐磨的材料。

技術領域

本發明屬于材料模擬領域，具體涉及一種柱狀納米孿晶的建模方法及基于此的摩擦磨損研究。

背景技術

納米孿晶材料由納米級孿晶片層組成，通過引入高密度的孿晶面，在不損失材料延展性和熱穩定性的前提下，大大提高了材料的強度，硬度、韌性，電導率等力學性能和電學性能。由于孿晶界既可以阻礙位錯的滑移，又可以使位錯穿過，位錯還可以在孿晶界上滑移，這就形成了納米孿晶塑性變形的三種機制，即位錯塞積并穿過孿晶界機制，Shockley不全位錯誘導孿晶界遷移機制以及貫穿位錯在孿晶片層內受限滑移機制。

對于納米孿晶材料的塑性變形已有大量研究，但是目前沒有對納米孿晶材料的微觀摩擦性能的變形機制進行深入研究，且沒有一種簡單的方法可用于建造柱狀納米孿晶材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種柱狀納米孿晶的建模方法及基于基于此的摩擦磨損研究方法。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種柱狀納米孿晶的建模方法，包括如下步驟：

步驟(1)建立基體晶胞：選取材料的晶格常數和x、y、z方向對應的晶向，建立晶胞文件，再將晶胞文件進行鏡像，得到鏡像文件，然后堆疊并得到基體晶胞文件；

步驟(2)多晶的建立：建立基體文本文件，其中包含多晶結構的參數，其中基體高度方向設置為0，即建立二維多晶，以步驟(1)得到基體晶胞文件為單元、以基體文本文件為條件，得到柱狀納米孿晶理想模型；

步驟(3)孿晶界的移動：將柱狀孿晶材料理想模型中的孿晶界進行平移，平移時保證模型在建模時與孿晶相匹配的外周的盒子內，將孿晶界平移不同距離，可得到孿晶層片厚度相同但孿晶界位置不同的柱狀納米孿晶平移模型；

步驟(4)多相組合：使用建立多相合金的方法，將孿晶厚度但位置不同的納米孿晶材料進行多相組合——即將第一種位置的孿晶模型中的ID為1的晶粒刪掉，然后將第二種位置的孿晶模型中的ID為1的晶粒留下，其余晶粒刪掉，將這兩個模型進行堆疊，得到符合實際的柱狀納米孿晶實際模型。

進一步的，步驟(1)中的“堆疊”次數根據取決于實際納米孿晶的高度。

一種基于上述的方法研究柱狀納米孿晶鎳摩擦磨損的方法，包括如下步驟：

步驟(1)：基于權利要求1-2任一項所述的方法構建柱狀納米孿晶鎳模型，建立壓頭模型，并將柱狀納米孿晶鎳模型和壓頭模型進行堆疊，得到摩擦模型；

步驟(2)：讀取摩擦模型，將模型區域的X方向、Y方向和Z方向均設定為周期性邊界條件；定義變量，計算所需物理量；

步驟(3)：選取能夠描述納米尺度鎳體系中原子間相互作用力的勢函數；

步驟(4)：采用共軛梯度法進行能量最小化；

步驟(5)：進行系統弛豫，得到弛豫后模型；

步驟(6)：限定模擬參數、進行模擬：壓頭以恒定速度壓入柱狀納米孿晶鎳中，再以恒定速度進行摩擦，并輸出摩擦過后的信息；

步驟(7)：數據處理及可視化分析。