(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211170772.0 (22)申请日 2022.09.23 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 黄永江　张磊　范洪波　宁志良　 孙剑飞　 (74)专利代理 机构 哈尔滨华夏松花江知识产权 代理有限公司 23213 专利代理师 侯静 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G16C 20/40(2019.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子 动力学模拟计算方法 (57)摘要 一种CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子 动力学模拟计算方法， 涉及非晶合金纳米压痕测 试模拟计算方法。 模拟方法： 基本参数设置； 模型 建立并将模 型分为两部分， 进行弛豫得到非晶合 金模型； 能量最小化及设置初速度； 定义计算保 存原子温度并输出得到温度场分布图； 计算原子 应力得到压痕过程中应力场的分布； 定义纳米压 痕压头信息、 定义压头下压参数、 计算Z方向受 力， 计算压入深度， 保存力曲线信息； 运行压痕过 程、 实现压痕保载过程、 实现痕卸载过程。 本发明 能够实现对非晶合金整个纳米压痕全过程动态 模拟， 使三个阶段无间断的连贯起来， 直观的展 现出各种变形过程、 变形机理与各物理量之间的 关系， 为探究非晶合金的变形机理提供了强有力 的手段。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115472248 A 2022.12.13 CN 115472248 A 1.一种CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法， 其特征在于： CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法按照以下步骤进行： (1)基本参数设置： 用lammps进行建模， 模型原子采用metal单位， 空间维度设置为三 维， 在压痕方向上采用可收缩性边界， 在垂直于压痕的方向上采用周期性边界， 设置模拟时 间步长、 原子 近邻参数和迭代步长； (2)模型建立： 采用bcc结构的铜原子晶胞进行建模， 模型形状为四方形， 总原子种类为 三种， 分别为Cu、 Zr、 Al； 在模型区域内首先填充铜原子， 并用Zr、 Al原子位置随机的替换掉 铜原子得到CuZrAl非晶合金的前体晶体模型， 并设置各类原子的相 对原子质量； 前体晶体 模型中Cu、 Zr、 Al的原子百分比分别为61％、 3 6％、 3％； (3)将前体晶体模型分为两部分， 分别为底部固定的bottom部分和原子可运动的piece 部分； bottom部分的厚度为一个晶体原胞厚度； piece部分的厚度为模 型厚度除去bottom部 分的剩余部分； (4)势函数采用多元EAM合金势； 此势函数对金属原子之间的相互作用以及弹塑性变形 行为有着合理的诠释； (5)在NPT系综下， 温度为20 00K， 将piece部分进行弛豫， 得到非晶合金模型； (6)能量最小化及设置piece部分的初速度， 固定bottom部分使其在整个过程 中始终受 力为0； 步骤(6)中设置在300K下piece部分的初速度； 使用fix语句的set force命令将bottom 部分原子受力始终设置为0， 以达 到固定模型底端的目的； (7)定义原子温度， 计算原子温度， 保存原子温度并输出， 得到温度场分布图； 步骤(7)中用compute与variable命令相结合计算单原子温度， 并将温度换算成开尔文 温度， 之后再用dump命令 输出并保存系统所有原子温度； (8)计算原子应力， 保存并输出， 得到 压痕过程中应力场的分布； (9)定义纳米压痕压 头信息， 包括压 头的尺寸、 形状、 硬度； (10)定义压 头下压参数， 包括下压 速度， 加载 方式； (11)计算Z方向受力， 计算压入深度， 保存力曲线信息； (12)运行压痕过程； 步骤(12)中压痕过程运行80000步， 使用print命令， 每100步输出一次应力 ‑应变数值； 输出的应力、 应 变数值用于绘制应力 ‑应变曲线； (13)修改步骤(10)， 然后重复步骤(10)～步骤(12)， 实现压痕保载 过程； 所述修改是将步骤(10)中下压 速度设为 (14)修改步骤(10)， 然后重复步骤(10)～步骤(12)， 实现压痕卸载 过程； 所述修改是将步骤(10)中下压 速度设为 2.根据权利要求1所述的CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法， 其特征在于： 步骤(1)所述压痕方向为Z方向， 垂 直于压痕的方向为X和Y方向， 周期性边界条 件为P边界， 模拟时间步长为1fs， 原子 近邻数为0.2bi n， 迭代步长为every  5delay 0。 3.根据权利要求1所述的CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法， 其特征在于： 步骤(2)所述用set  type/ratio命令， 用Zr、 Al元素原子随机替换掉铜原子得权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115472248 A 2到非晶合金的前体晶体模型， 并用mas s命令设置各类原子的相对原子质量。 4.根据权利要求1所述的CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法， 其特征在于： 步骤(3)中使用region、 group命令， 连续使用两次， 得到bottom部分， 再使用 subtract命令在模型内扣除bot tom部分， 剩余部分为piece部分。 5.根据权利要求1所述的CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法， 其特征在于： 步骤(5)弛豫过程中在X、 Y方向控压， Z方向不控压 。 6.根据权利要求1所述的CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法， 其特征在于： 步骤(6)中能量 最小化用mi n_style命令弛豫10 000步。 7.根据权利要求1所述的CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法， 其特征在于： 步骤(8)中首先用compute命令来计算单原子体积， 用variab le命令定义原子 分别在X、 Y、 Z方向受力， 再用dump命令 输出并保存系统各个原子在三个方向的应力状态。 8.根据权利要求1所述的CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法， 其特征在于： 步骤(9)中定义压头的形状为圆形， 压头直径为材料模型X方向边长 的 一半， 硬度为金刚石硬度。 9.根据权利要求1所述的CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法， 其特征在于： 步骤(10)中， 加载 方式为直线下压， 速度为 10.根据权利要求1所述的CuZrAl非晶合金纳米压痕测试的分子动力学模拟计算方法， 其特征在于： 步骤(11)中计算Z方向受力时， 力的单位要换算为nN， 计算压入深度时要加上 压头半径， 用fixpri nt命令保存力曲线信息 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115472248 A 3