一种位错环迁移能垒计算方法及系统

本发明属于计算材料学、原子尺度模拟和高性能计算，涉及一种位错环迁移能垒计算方法及系统。

背景技术：

1、位错环是辐照损伤、淬火缺陷和塑性变形中的重要缺陷结构。位错环的迁移能垒决定其热激活迁移能力，并进一步影响缺陷聚集、空洞形成、辐照硬化和微观组织演化。分子动力学适合观察高温或高应力下的动力学过程，但对于低温稀有事件，通常需要采用弹性带方法或爬坡弹性带方法寻找初态与末态之间的最低能量路径。

2、弹性带计算要求所有镜像具有相同的原子数和严格对应的原子顺序。对于单空位或单间隙原子的扩散，初态与末态之间通常容易建立原子对应关系；而位错环的整体迁移涉及多条原子串上的协同或依次接力运动，若仅将末态几何构型整体平移，或者仅按最近晶格位置重新编号，常出现同一身份标识对应不同物理原子、原子轨迹交叉、过短原子间距及异常高能中间镜像。

3、对于多元合金，上述问题更加突出。元素类型代表物理原子的化学身份。如果根据末态晶格位置重新分配元素类型，等效于在反应路径中无依据地交换合金元素，会把化学换位能混入位错环迁移能垒；如果只保证坐标数量相同而不检查身份和类型序列，则计算程序虽然能够运行，所得能垒却不对应目标物理过程。

4、现有自动化计算通常侧重一般原子扩散或表面反应的线性插值，缺少面向位错环多原子接力过程的身份保持映射，以及端点平移周期、位错拓扑、缺陷簇连通性和最终镜像高精度回算的一体化控制。因此，需要一种可更换晶体结构、合金成分、位错环尺寸和相互作用模型的通用技术方案。

技术实现思路

1、本发明的技术方案用于解决位错环整体迁移弹性带计算中初末态物理原子对应不明确、合金元素类型发生非物理换位、错误端点进入计算、路径出现原子碰撞以及能量输出精度不足的问题。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

3、本发明提供一种位错环迁移能垒计算方法，包括以下步骤：

4、获取目标材料的各项参数构建参考晶体，为参考晶体中的各物理原子分配唯一原子身份标识和元素类型；

5、依据环面法向和burgers矢量方向，将参考晶体的晶格位置划分为多条原子串，在目标环形区域内选取插入位置，构建初始位错环；

6、针对多个预设平移量，在每条参与迁移的原子串内建立物理原子向相邻晶格位置递进的接力映射，使唯一原子身份标识及元素类型随对应物理原子传递，生成原子总数、身份标识集合和元素类型序列相同的多个候选端点；

7、分别弛豫多个候选端点，提取弛豫后候选端点的位错拓扑和缺陷原子簇，根据环中心沿burgers矢量的位移、缺陷原子簇连通性及位错拓扑的允许集合筛选候选端点；

8、从筛选通过的候选端点中确定相隔一个burgers平移周期且拓扑等价的初态与末态，在保持各镜像的原子身份标识集合及元素类型序列一致的条件下生成多个中间镜像，并对初态、末态和中间镜像执行弹性带计算；

9、读取弹性带计算结束时的最终镜像构型，对各最终镜像构型执行单点能计算，以各单点能相对于初态能量的最大值确定位错环的迁移能垒。

10、进一步地，所述目标材料的各项参数包括晶体结构参数、化学组分、原子间相互作用模型、位错环参数和计算参数；所述位错环参数包括自间隙原子数、环半径或环形区域阈值、环中心、环面法向、burgers矢量的方向及正负号。

11、进一步地，所述多个预设平移量包括0b、0.5b、1b和2b中的至少三个，其中b为burgers矢量；通过比较0b、1b和2b候选端点的环中心位移与拓扑等价性，验证1b候选端点是否构成一个完整迁移过程，并利用0.5b候选端点评估路径中部构型。

12、进一步地，所述接力映射的方法如下：

13、沿原子串建立有序晶格位置序列；

14、定位插入原子及其相邻母体原子；

15、对于平移反应坐标λ，将插入原子以及位于其前方的至少一个母体原子分别从各自起始位置映射至下一晶格位置方向上的插值位置；

16、当平移反应坐标λ由0变化至1时，使插入原子占据下一晶格位置、对应母体原子依次占据再下一晶格位置，而各物理原子的身份标识和元素类型保持不变。

17、进一步地，所述弹性带计算包括非爬坡阶段和爬坡阶段，并根据最大镜像力、相邻镜像能量连续性和位错拓扑完整性判断是否收敛；当最大镜像力未达到阈值时，从已保存的最终路径继续执行爬坡阶段。

18、进一步地，所述单点能计算的方法为：读取弹性带计算结束时强制输出的每个最终镜像构型，采用比弹性带日志更高的能量输出精度统一回算，并输出正向能垒、反向能垒、反应能、最高能镜像编号、最大镜像力和拓扑检查结果。

19、进一步地，所述中间镜像的生成方法采用协同路径生成方式或拉链式路径生成方式；所述协同路径生成方式使参与迁移的原子串按同一反应坐标推进；所述拉链式路径生成方式按照位错环周向排序依次触发不同原子串的接力映射。

20、本发明还提供一种位错环迁移能垒计算系统，包括：参考晶体构建模块、初始位错环构建模块、候选端点生成模块、筛选模块、弹性带计算模块以及能垒确定模块；

21、参考晶体构建模块，用于获取目标材料的各项参数构建参考晶体，并为所述参考晶体中的各物理原子分配唯一原子身份标识和元素类型；

22、初始位错环构建模块，用于依据环面法向和burgers矢量方向，将所述参考晶体的晶格位置划分为多条原子串，在目标环形区域内选取插入位置，构建初始位错环；

23、候选端点生成模块，用于针对多个预设平移量，在每条参与迁移的原子串内建立物理原子向相邻晶格位置递进的接力映射，使唯一原子身份标识及元素类型随对应物理原子传递，生成原子总数、身份标识集合和元素类型序列相同的多个候选端点；

24、筛选模块，用于分别弛豫所述多个候选端点，提取弛豫后候选端点的位错拓扑和缺陷原子簇，根据环中心沿burgers矢量的位移、缺陷原子簇连通性及位错拓扑的允许集合筛选候选端点；

25、弹性带计算模块，用于从筛选通过的候选端点中确定相隔一个burgers平移周期且拓扑等价的初态与末态，在保持各镜像的原子身份标识集合及元素类型序列一致的条件下生成多个中间镜像，并对所述初态、末态和中间镜像执行弹性带计算；

26、能垒确定模块，用于读取弹性带计算结束时的最终镜像构型，对各最终镜像构型执行单点能计算，以各单点能相对于初态能量的最大值确定位错环的迁移能垒。

27、本发明还提供一种电子设备，包括存储器以及处理器，存储器用于存储支持处理器执行上述位错环迁移能垒计算方法的程序，处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

28、本发明还提供一种存储介质，存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述位错环迁移能垒计算方法的步骤。

29、本发明的有益效果如下：

30、本发明显式保存物理原子身份标识，使位错环的多原子接力迁移对应于连续物理原子轨迹，避免原子错配和轨迹交叉，确保路径的物理合理性。对于随机或有序合金，元素类型与物理原子绑定，在全部计算过程中禁止以晶格位置为依据重新分配元素类型，可避免在初末态之间引入非物理元素换位，因而能准确区分化学环境效应与位错环本征迁移过程，使得本发明能够直接推广至多元合金体系。通过多平移量端点扫描和位错拓扑-缺陷簇联合校验，可在高成本弹性带计算前识别环崩解、错误周期、拓扑转变或多缺陷簇等无效端点，确保进入弹性带计算的初末态具有正确的物理意义，节省计算资源。协同路径与拉链式路径可适配不同尺寸和迁移机制，并通过几何质量检查减少原子碰撞和异常高能镜像，保证弹性带计算的收敛性。最终构型单点能统一回算减小输出截断造成的能垒误差，能够解析毫电子伏特量级的能垒差异，满足高精度模拟需求。任务依赖与续算控制减少重复输入和人为干预，便于在高性能计算平台批量复现，适用于不同晶体结构、合金成分、位错环尺寸和相互作用模型的通用计算。