1、位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬介紹

位錯(cuò)在材料科學(xué) 中，指晶體材料 的一種內(nèi)部微觀缺陷，即原子的局部不規(guī)則排列（晶體學(xué)缺陷）。從幾何角度看，位錯(cuò)屬于一種線缺陷 ，可視為晶體中已滑移 部分與未滑移部分的分界線，其存在對(duì)材料的物理性能，尤其是力學(xué)性能，具有極大的影響。位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)在材料行為的介觀機(jī)制研究具有重要的意義。

金屬材料在單向拉伸時(shí)，由彈性階段轉(zhuǎn)為塑性階段，其內(nèi)在機(jī)理為晶格畸變不能滿足原子穩(wěn)定排列存在，產(chǎn)生位錯(cuò)滑移，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)可以體現(xiàn)原子差排組織的運(yùn)動(dòng)。研究位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就是在研究晶體內(nèi)原子組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究單個(gè)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，可以更準(zhǔn)確清晰地理解認(rèn)知位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，從而得出定量的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于研究工具，主要是分子動(dòng)力學(xué)。分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算是利用原子間的勢(shì)函數(shù)關(guān)系，對(duì)每個(gè)原子的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，是分子運(yùn)動(dòng)計(jì)算的基礎(chǔ)運(yùn)算工具，計(jì)算結(jié)果依靠勢(shì)函數(shù)，準(zhǔn)確度高，可靠性大，但是計(jì)算量大，時(shí)間成本高。分子動(dòng)力學(xué)適合對(duì)少量位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。本次我們討論研究的是單獨(dú)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的定量計(jì)算，所以適合運(yùn)動(dòng)分子動(dòng)力學(xué)的方法進(jìn)行。

2、模擬案例

初始模型

比如研究Fe-Cr里單一位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。使用atomsk建造一個(gè)單一位錯(cuò)，將建造的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入lammps中，因?yàn)槲诲e(cuò)容易在滑移面發(fā)生滑移，所以對(duì)于bcc結(jié)構(gòu)的鐵素體首要模擬的是材料在110面向111方向滑移。

模擬過(guò)程

在弛豫、溫度0K條件下，對(duì)刃位錯(cuò)模型沿x軸，對(duì)螺位錯(cuò)模型沿z軸施加一個(gè)持續(xù)不變的切應(yīng)力，由（文獻(xiàn)）可知位錯(cuò)的派納力在150Mpa以內(nèi)，所以每組不同合金元素的模型，從0~150Mpa做151組不同切應(yīng)力下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)計(jì)算。

提取位錯(cuò)

由于派-納力是位錯(cuò)克服晶體點(diǎn)陣阻力的最小開(kāi)動(dòng)力，位錯(cuò)產(chǎn)生瞬間移動(dòng)其實(shí)是微觀原子發(fā)生了晶體劇烈振動(dòng)，所以位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)的位移距離其實(shí)是非常小的，大約在幾個(gè)A左右，所以必須要對(duì)位錯(cuò)進(jìn)行提取，才能準(zhǔn)確地定位位錯(cuò)的位置。

在lammps中位錯(cuò)線的可視化提取可以觀測(cè)位錯(cuò)的移動(dòng)情況，但是無(wú)法得到文本數(shù)據(jù)，所以需要憑借編程程序進(jìn)行提取。主要使用的是Julia對(duì)文本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。而提取的主要依據(jù)就是晶格畸變參數(shù)，位錯(cuò)的位置就是晶體晶格畸變參數(shù)明顯的原子組的定位，在lammps模擬過(guò)程中，我們添加了晶格畸變參數(shù)的計(jì)算，以便對(duì)數(shù)據(jù)文本的處理。提取后的效果是比較明顯的，模型中最后只留下了產(chǎn)生位錯(cuò)的原子組合。

位錯(cuò)提取前（左）與提取后（右）

模擬結(jié)果

由于合金含量不同，單一位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)的是不一樣的。如下圖所示，單一位錯(cuò)在持續(xù)恒力的條件下，當(dāng)持續(xù)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，位錯(cuò)會(huì)發(fā)生一個(gè)明顯的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)我們可以判定位錯(cuò)克服晶格阻力產(chǎn)生了位移突變，即克服能壘進(jìn)入熱驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，而隨著應(yīng)力的增大，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)并不能很明顯地產(chǎn)生，這是由于應(yīng)力增大后位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)后所剩的力會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)周圍的原子再次對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生反作用或者釘扎從而使位錯(cuò)發(fā)生反向運(yùn)動(dòng)或者依然保持不動(dòng)。

刃位錯(cuò)(左)和螺位錯(cuò)（右）不同Cr比例下的P-N力

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