[发明专利]用于预测原子元素及其合金材料的结构和性质的系统和方法

说明书

传统上，金属合金的开发基于实验或理论平衡相图等。小型和大型真实样品的合成、加工和机械测试是一项具有挑战性的任务，在时间、金钱、资源、繁琐的测试和加工设备以及工时等方面需要巨大努力，对此，单独的常规相图计算等对其局部结构和相关的性质预测没有多大帮助。本公开的实施方式提供了用于与加速蒙特卡洛技术相结合的性质预测分子动力学(MD)和结构演变的方法和模拟系统，其中，获得合金材料特定的原子元素和组成的信息以生成MD潜在文件，该文件进一步用于通过执行结构平衡技术生成3D结构。然后生成优化演变的3D结构文件，其具有用于预测性质的热力学输出和/或原子位置输出。

相关申请的交叉引用和优先权

本申请要求2018年8月23日在印度提交的题目为“用于预测原子元素及其合金材料的结构和性质的系统和方法”的申请号201821031567的印度完整说明书的优先权。

技术领域

本文的公开内容大致涉及原子元素和合金材料的多尺度建模，并且更具体地，涉及用于预测原子元素及其合金材料的结构和性质的系统和方法。

背景技术

传统上，金属合金的开发基于过去的经验和一些实验或理论平衡相图等。小型和大型真实样品的合成、加工和机械测试是一项具有挑战性的任务，需要在时间、金钱、资源、繁琐的测试和加工设备以及工时方面的巨大努力。此外，大多数工程金属材料具有非平衡或亚稳态结构，对于这些结构，单独的常规相图计算等对其局部结构和相关的性质预测没有多大帮助。此外，长期性能预测仍然是金属和合金的难题，因为它在很大程度上取决于经验和长期实验，增加了产品上市时间的障碍。

发明内容

本公开的实施方式提出了技术改进，作为本发明人对常规系统中认识到的一个或多个上述技术问题的解决方案。例如，一方面中，提供了一种处理器实现的方法，用于预测原子元素及其合金材料的结构和性质。所述方法包括：通过一个或多个硬件处理器接收涉及合金材料特定的多种原子元素及其相关组成中至少一个的信息，其中所述多种原子元素包括一种或多种金属原子元素；通过一个或多个硬件处理器基于所述信息来生成分子动力学势(Molecular Dynamics Potential，MDP)文件，该文件包括多种原子元素的相似和不相似的原子相互作用的序列数据；通过由一个或多个硬件处理器执行结构平衡，通过使用MDP文件生成关于合金材料特定的多种原子元素中每一个的相关组成的三维(3D)结构文件，其中，三维(3D)结构文件包括多种原子元素中每一个的3D坐标及其相关类型；以及通过一个或多个硬件处理器执行一个或多个蒙特卡洛应用程序(Monte Carlo application)，通过使用3D结构文件和一个或多个热处理方案来生成包括原子位置输出和热力学输出中至少一个的优化演变3D结构文件，其中，涉及合金材料特定的多种原子元素及其相关组成的一种或多种性质通过使用原子位置输出和热力学输出中至少一个来预测。

在一实施方式中，所述方法还可以包括将一个或多个线缺陷和位错引入优化演变的3D结构文件，用于预测合金材料的机械性质和结构演变。

在一实施方式中，基于所述信息并通过计算多种原子元素中的每一个的嵌入函数和涉及多种原子元素的成对相互作用的一个或多个参数来生成分子动力学势(MDP)文件。

在一实施方式中，原子位置输出包括如下中的至少一个：多种原子元素的局部组成、多种原子元素的短程有序/短程聚类(SRO/SRC)、多种原子元素的局部原子结构的晶格畸变、多种原子元素的局部原子结构的局部应变、一个或多个缺陷、多种原子元素的纳米簇、包括多种原子元素分布的一个或多个形态变化、一个或多个相区(Phase Field，PF)参数、多种原子元素中的一个或多个相或簇界面、合金材料的演变序列、合金材料结构演变的实时尺度预测。

在一实施方式中，热力学输出包括如下中的至少一个：多种原子元素的晶格势能、多种原子元素的焓变化、多种原子元素的吉布斯自由能变化和多种原子元素的熵变化、多种原子元素的堆垛层错能(SFE)、多种原子元素的局部热力学变化、以及多种原子元素的声子。