[发明专利]一种含有多种合金元素的合金钢的分子动力学建模方法

权利要求书

1.一种含有多种合金元素的合金钢的分子动力学建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1：获取合金钢的特征参数，包括合金中元素的种类及各种合金元素的：质量分数、以及粒子间距；

S2：构建具有确定尺寸和确定晶向的体心立方结构铁基体模型，并且得到铁基体模型中铁原子个数、每一个原子的坐标；

S3：除铁之外，根据需要插入的具体合金元素，确定需要加入铁基体模型的合金元素的原子半径，以参考刚坯的方式确定各种合金元素在铁基体模型中的存在形式；

S4：根据合金元素的原子半径及合金元素在铁基体模型中的存在形式，确定各种合金元素的原子加入到铁基体模型中的方法，包括：原子置换的方法，和随机插入的方法，其中，第一类型合金元素的原子选择原子置换的方法，第二类型合金元素的原子选择随机插入的方法；

S5：通过步骤S1获取的各种合金元素的质量分数，以及该铁基体模型铁原子个数，确定所述铁基体模型中分别需要加入的相应合金元素的原子数量；

S6：使用原子置换的方法，依次将铁基体模型中的铁原子随机替换成相应数量的第一类型合金元素的原子，并使得此类原子在铁基体模型中分布均匀；

S7：使用随机插入的方法，在铁基体模型的模型范围内，随机插入相应数量的第二类型合金元素的原子，并使得此类原子在铁基体模型中分布均匀；

S8：对步骤S7处理后的模型，进行能量最小化处理，以消除由于随机插入的第二类型合金元素的原子而带来的原子重合或间距过小的问题；

S9：对步骤S8处理后的模型，模拟合金钢的熔化过程；

S10：对步骤S9处理后的模型，模拟合金钢的降温冷却过程；

S11：对步骤S10处理后的模型，模拟合金钢的室温时效过程；

S12：构建具有确定尺寸和确定晶向的金刚石立方晶体结构的金刚石压头模型，并且得到金刚石模型中每一个原子的坐标；

S13：将金刚石压头模型以一定速度、从正上方缓慢压入步骤S11处理后的模型中，获取每一时刻的压入深度和压力，计算硬度值，然后与真实的该类合金钢材硬度值作对比，对模型的正确性进行评估。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，

步骤S2中，还分别以晶向[100]、[010]和[001]作为模型的X、Y和Z三个坐标轴方向，设置X、Y和Z三个坐标轴方向的模型尺寸，晶格常数a，得到模型基体坐标文件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

对铁和其余各种合金元素，确定其加入的每种原子的原子编号和坐标，得到各种元素的坐标矩阵文件。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

除铁之外，对于其余各种合金元素，根据所加入的合金元素确定表征所加入的元素之间相互作用力的势函数类型，设定模型中各个元素之间的势函数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

根据各种元素的坐标矩阵文件和各种元素之间的相互作用方式，对模型整体进行能量最小化处理，以消除模型中的原子重叠、间距过小等问题。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

模拟2000K的升温熔化、2000K-300K的降温退火以及300K下室温时效处理，降低模型中的残余应力，使之更接近真实钢材物理力学性能。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤S13中，采用纳米压痕模拟的方法，测试模型的硬度值、弹性模量值。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在金刚石压头模型设定为刚体的情形下，金刚石压头模型在压入过程中保持不发生形变。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤S8中，使用共轭梯度(CG)算法中的Polak-Ribiere法对已建立模型进行时间积分以实现能量最小化。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤S9或S10或S11中，使用Non-Hamiltonian运动方程中的Nose-Hoover热浴法对相应模型进行时间积分，更新每步中原子的速度和位置。