[发明专利]一种基于Voronoi分形技术的非晶合金自由体积检测方法

说明书

本发明公开了一种基于Voronoi分形技术的非晶合金自由体积检测方法，其特征在于，包括以下步骤：一）建模；二）进行Voronoi分形计算；三）计算非原子体积；四）计算自由体积；五）定位自由体积；六）筛选；七）统计；八）校验。本发明借助Voronoi分形技术，在定位自由体积的方面，利用球形化方法，使得检测自由体积在模型样本中的数量及大小分布更加简便，同时通过重复性检查，排除由于结构重复性带来偏差，对计算结果进行适当的优化归并，便于统计分析，且具有更深的理论基础且更比较容易实现，对自由体积的计算也更加准确。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及非晶合金的自由体积计算、非晶合金结构性能分析，具体是一种基于Voronoi分形技术的非晶合金自由体积检测方法。

背景技术

上世纪中旬，快速冷却技术的兴起使非晶态合金走进了人们的视野，并在短时间内引起了学者的兴趣和广泛讨论。相比于人类过去很长一段时间内使用的晶体合金，非晶合金在微观结构上具有“短程无序，长程有序”的原子排布特征，这种特殊的结构使其没有晶胞、晶粒和晶界，也没有传统意义上的晶体材料缺陷，因此非晶合金又称为“金属玻璃”；同时，非晶合金特殊的结构使其具有优秀的物理、化学和力学性质，越来越多的非晶合金被应用于工程、精密机械、信息、航空航天器件、国防工业等高新技术领域，并有望作为一类新型的结构材料在未来替代若干传统结构材料。

自由体积理论是非晶合金研究领域中广泛应用的研究理论。最早由Eyring H提出，后经Cohen和Turnbull发展。根据自由体积理论，金属玻璃的自由体积可以被定义为：在不需要外界提供能量(比如说加热或者外应力做功)或者系统能量不变的前提下,原子可以自由移动的物理空间。经过不断的研究发展，自由体积理论已经不断地用于探究金属玻璃的结构和性能，包括原子扩散、剪切变形、塑性变形、弹性模量、玻璃转变过程等。然而，自由体积模型并不能提供清晰的物理图像，学者们对自由体积的定义也因各自角度的不同而有差异。这使得我们必须对自由体积的定性定量分析进行更多的研究和发展，因此开发新型的自由体积表征和检测方法十分有意义。

发明内容

本发明的技术目的是构建一种基于Voronoi分形技术的非晶合金自由体积检测方法，使其可以更加准确地表征非晶合金微观结构中自由体积的大小和分布，为利用自由体积理论分析检测非晶合金结构性能的工业生产和科研工作提供可靠工具。

本发明提供的技术方案为：

一种基于Voronoi分形技术的非晶合金自由体积检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

一)建模：

通过材料软件构建同成分的晶体合金材料模型和非晶合金材料模型，所述非晶合金材料模型由晶体合金材料模型经过软件模拟的转化过程获得，并提供模型信息，所述模型信息包括：模型大小，构成材料的各类元素符号，对应所述元素的原子的总数、原子的半径以及各原子的在模型中的空间坐标；

二)进行Voronoi分形计算：

根据所述模型信息，以每一原子作为中心原子，计算其与其它原子的直线距离，并将获得直线距离数据的排序；

根据所述排序设置截断值CUT，根据截断值CUT筛选出中心原子周围的最邻近原子，中心原子与其最近邻原子组成原子团簇VC，在原子团簇VC中，除中心原子外的其它原子为壳层原子；

针对获得的每一个原子团簇VC，将其在空间结构上划分为多个最小四面体结构，所述最小四面体结构由一个中心原子和三个壳层原子组成；

三)计算非原子体积：

根据步骤一)提供的模型信息，计算出步骤二)获得的各个最小四面体结构的体积；根据组成最小四面体结构的原子的半径和原子的球面度，计算得到原子在该最小四面体结构中占据的体积；将最小四面体结构体积减去原子占据的体积，获得该最小四面体结构中非原子占据的体积；