一种基于位向关系构建合金析出相模型的方法及系统

本发明属于材料科学与计算机智能模型构建的交叉，具体涉及一种利用合金中析出相与基体的位向关系，高通量生成用于材料计算模拟的析出相-基体复合原子模型的方法及系统。具体而言，涉及基于晶体学位向关系构建原子尺度模型的方法，用于模拟合金中析出相的强化机制、界面行为及服役性能；涉及为分子动力学模拟提供初始原子构型的方法，尤其针对含析出相的合金体系；涉及通过参数化扫描与自动化流程，批量生成具有不同析出相特征参数的系列模型，服务于材料数据库构建与多尺度性能预测；涉及对析出相与基体之间晶面平行关系与晶向平行关系的获取、验证及向三维建模参数的转换方法。

背景技术：

1、析出相是金属及其合金中重要的微观组织组成部分，其类型、尺寸、分布密度及与基体之间的位向关系，对材料的力学性能及腐蚀性能均起到极为关键的作用。其中，位向关系决定了析出相与基体界面的共格程度，通常分为共格、半共格和非共格三类。共格界面具有最低的界面能，对位错运动的阻碍作用显著；而非共格界面则可能成为腐蚀优先发生或元素偏聚的通道。因此，准确获取并描述析出相与基体之间的位向关系，是理解合金性能演化机制的核心前提。

2、然而，传统实验手段在辨识析出相在力学及腐蚀方面的具体作用方面存在显著局限。现有技术中的基于经验公式的定量评估方法，虽可一定程度上估算析出相对材料性能的贡献，但计算结果存在较大简化，例如，经验公式往往忽略析出相的各向异性及其与基体之间的弹性失配效应，未充分考虑位向关系对位错滑移及裂纹萌生的差异化影响，也难以描述界面处的原子排布、位错网络及元素偏聚等微观特征。现有方法往往不能直观、准确地揭示析出相对材料性能的真实贡献。

3、现有技术在构建合金-析出相原子模型时还存在以下不足：一是建模效率低下，手动操作繁琐且易出错；二是位向关系处理不精确，需人工计算旋转矩阵，对晶体学知识要求较高；三是缺乏高通量生成能力，难以批量生成不同参数组合的系列模型；四是界面优化不足，模型中含有非物理的高能构型，影响模拟稳定性。因此，亟需一种能够利用合金析出结构信息，高通量自动生成析出相-基体复合原子模型的方案，以解决上述技术难题。

4、此外，现有开源建模工具（如ase、atomsk、lammps的lattice命令）虽然能够构建基本的晶体超胞，但存在以下关键局限：（1）位向关系处理依赖用户手动计算旋转矩阵，且仅支持单一晶面平行关系的输入，无法同时满足三个晶向族的联合约束；（2）无法自动从实验位向关系数据（如透射电镜衍射谱）出发搜索最佳匹配晶面组合，需依赖人工试错；（3）高通量建模仅能遍历析出相尺寸、形状等几何参数，而无法将位向关系类型纳入自动化扫描变量；（4）界面区域的重叠原子移除以简单的距离阈值判定为主，缺乏对非物理高能构型的智能识别与校正能力。因此，亟需一种能够将晶体学位向关系的自动解析、多晶面联合约束优化、高通量参数化扫描以及界面几何智能预优化融为一体的全流程自动化方案。

技术实现思路

1、本发明主要针对现有技术在构建含析出相的合金原子模型时，存在的建模效率低下、位向关系处理不精确、缺乏高通量生成能力以及优化不足等问题，提供一种能够利用合金析出结构信息，高通量自动生成用于材料模拟计算的析出相-基体复合原子模型的方案。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下具体的技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种基于位向关系构建合金析出相模型的方法，该方法包括：

4、s1、输入或获取目标合金体系中析出相晶体结构参数、基体晶体结构参数、位向关系以及析出相几何参数，组成参数集合parameters；

5、s2、根据基体晶体结构参数，构建包含预设原子数目的基体超胞，并计算基体超胞晶格基矢矩阵mm及基体原子坐标；

6、s3、根据析出相晶体结构参数及位向关系，构建析出相晶格基矢矩阵mp、析出相超胞及析出相原子坐标；

7、s4、基于基体超胞晶格基矢矩阵mm、析出相晶格基矢矩阵mp及所述位向关系，通过三级层联筛选方式构建三类候选晶面族

f1、

f2、

f3；其中基体超胞晶格基矢方向与析出相超胞晶格基矢方向满足所述位向关系；

8、s5、对通过步骤s4构建的三类候选晶面族

f1、

f2、

f3，基于晶面法向量偏差因子、晶向正交性保持因子和界面共格度因子三个方面的约束，确定最佳模型构造位向关系；

9、s6、依据步骤s5确定的最佳模型构造位向关系，生成基体晶面和析出相晶面，通过三晶面联合约束，计算旋转矩阵；

10、s7、将析出相超胞依据所述旋转矩阵旋转至与所述基体超胞对应晶面对齐的晶面，记录析出相原子坐标，进而得到析出相超胞；

11、s8、根据所述析出相几何参数，在基体超胞中计算布尔向量b，以确定嵌入区域；依据嵌入区域将旋转后得到的析出相超胞嵌入所述基体超胞中，得到初始复合原子模型；对初始复合原子模型的界面原子进行界面优化，通过界面区域几何预优化，消除初始复合原子模型中的非物理高能模型，得到合金-析出相原子模型。

12、优选地，所述s8之后还包括：

13、s9、重复执行s1至s8，通过改变参数集合parameters中的一个或多个参数，批量生成不同参数组合下的复合原子模型。

14、优选地，可改变的参数包括参数集合parameters中的基体结构、析出相结构、析出相的尺寸、形状、体积分数、位向关系类型及空间分布密度中的一种或多种。

15、优选地，所述s1中，参数集合parameters具体为：

16、

17、其中，

smatrixs和

sphases分别表示基体和析出相的晶胞结构集合；

r表示基体与析出相的位向关系；size、num、shape和positioncore依次表示在基体中析出相的尺寸、数量、形状和析出相核坐标；每个晶胞结构集合中可包含有一个或多个析出相的晶胞结构s。

18、优选地，析出相的晶胞结构s包含的参数如下：

19、

20、其中，length: a, b, c和angle: α, β, γ表示晶格常数；atom_type表示原子类型；atom_positions表示原子坐标。

21、优选地，位向关系r的形式为：

22、

23、

24、

25、其中，h, k, l分别代表晶体在不同基矢方向的晶面指数，角标

m代表基体，角标

p代表析出相。

26、优选地，所述s2和s3中，基体超胞晶格基矢矩阵mm和析出相晶格基矢矩阵mp的统一计算方式为基于各自晶胞结构的晶格常数进行如下计算：

27、

28、其中，a、b、c表示晶胞结构中三个棱边的长度，α、β、γ表示晶胞结构中晶胞棱边之间的夹角；m表示晶格基矢矩阵，此处表示该矩阵在本发明中的一般计算式（或统一计算方式）。

29、优选地，所述s4中，三级层联筛选方式包括：

30、s41、在析出相晶面中选择与基体晶面平行的潜在晶面，并分别计算各潜在晶面以及该基体晶面的晶面间距，再利用晶面间距匹配容忍因子

ηd，对潜在晶面进行筛选，得到与该基体晶面对应的较优候选晶面族；

31、s42、逐个计算较优候选晶面族中各晶面与对应的基体晶面的法向量夹角，结合晶面夹角容忍度

δ对较优候选晶面族中的晶面进行晶面夹角筛选，保留在晶面夹角容忍度

δ范围内的晶面；

32、s43、对s42筛选后保留的晶面，依据晶体对称性生成其全部等效晶面，并将该些等效晶面归并为对应基体晶面的三个正交的候选晶面族

f1、

f2、

f3。

33、优选地，所述s41中，晶面间距

dhkl的计算方式为：

34、

35、

36、

37、其中，g表示晶面的法向量方向，x、y、z表示晶格基矢矩阵m中的向量。

38、优选地，晶面间距计算中，晶面指数的最大值为6。

39、优选地，s41中，对潜在晶面的筛选方式为：保留满足下式的潜在晶面：

40、

41、其中，表示基体的晶面间距，表示各潜在析出相晶面的晶面间距。

42、优选地，晶面间距匹配容忍因子

ηd取值范围为0.03~0.10。

43、优选地，所述s42中，晶面夹角容忍度

δ的计算方式为：

44、

45、其中，k表示自适应因子，表示晶面夹角容忍度初始值。

46、优选地，所述s5进一步包括：

47、s51、计算候选晶面族

f1、

f2、

f3中各晶面组合的加权综合函数值φ；

48、s52、筛选候选晶面族

f1、

f2、

f3中与基体晶面夹角最小的晶面构成的晶面组合，并判断该晶面组合的φ值是否最小；若是，则将其确定为最佳模型构造位向关系；若不是，则删除该晶面组合，继续遍历剩余的其他可能的晶面组合并执行本步骤的判断。

49、优选地，所述加权综合函数值φ的计算方式为：

50、

51、其中，

w1、

w2、

w3是权重系数；

f1为晶面法向量偏差因子，

f2为晶向正交性保持因子，

f3为界面共格度因子；

52、

53、

54、

55、其中，v表示晶面矢量，

i、j表示三个晶面族序号，角标p表示析出相，角标m表示基体。

56、优选地，若存在多个组合的φ值接近，则优先选择晶面指数绝对值之和最小的晶面组合，作为最佳模型构造位向关系。

57、优选地，所述s6中，旋转矩阵的构造方式为：

58、s61、根据最佳模型构造位向关系，将对应的基体晶面和析出相晶面的晶面指数转化为实空间法向量；

59、s62、将s61得到的实空间法向量校正构造为正交归一化基矢e1, e2, e3；

60、s63、将正交归一化基矢e1, e2, e3分别组装为基体正交基矩阵bm和析出相正交基矩阵bp；

61、s64、计算旋转矩阵：。

62、优选地，所述s8中，界面区域几何预优化具体包括：

63、s81、对界面区域各原子进行voronoi多面体体积

vi计算，若原子的

vi低于析出相或基体同类原子的参考体积，则将该原子移除；

64、s82、对经s81处理后保留的原子，计算剩余界面区域原子的径向分布函数，并对比其与析出相和基体的径向分布函数的峰值分布以确定异常峰位置，并进一步计算界面区域两侧原子所需要的刚性位移量；基于该刚性位移量沿界面法线方向调整界面区域原子位置；

65、s83、计算经s82处理后的界面区域中原子的有效配位数，若原子的有效配位数偏离其块体的参考值超过预设阈值，则删除该原子。

66、另一方面，本发明还提供了一种基于位向关系构建合金析出相模型的系统，该系统用以执行如上所述的方法，该系统具体包括：

67、信息获取模块，用于获取目标合金体系中析出相晶体结构参数、基体晶体结构参数、位向关系以及析出相的几何参数，组成参数集合parameters；

68、超胞构建模块，用于根据基体晶体结构参数，构建包含预设原子数目的基体超胞，并计算基体超胞晶格基矢矩阵mm及基体原子坐标；以及根据析出相晶体结构参数及位向关系，构建析出相晶格基矢矩阵mp、析出相超胞及析出相原子坐标；

69、最佳位向关系确定模块，用于基于基体超胞晶格基矢矩阵mm、析出相晶格基矢矩阵mp及所述位向关系，通过三级层联筛选方式构建三类候选晶面族

f1、

f2、

f3；以及对三类候选晶面族

f1、

f2、

f3，基于晶面法向量偏差因子、晶向正交性保持因子和界面共格度因子三个方面的约束，确定最佳模型构造位向关系；

70、位向对齐与嵌入模块，用于根据最佳模型构造位向关系，生成基体晶面和析出相晶面，通过三晶面联合约束，计算旋转矩阵；以及将析出相超胞按照旋转矩阵旋转对齐并嵌入至基体超胞中，得到初始复合原子模型；

71、界面优化模块，用于对初始复合原子模型进行界面优化，得到合金-析出相原子模型；

72、高通量生成模块，用于通过改变参数批量生成系列合金-析出相原子模型。

73、与现有技术相比，本方案至少具有以下有益效果：

74、（1）位向关系自动解析与多晶面联合优化。区别于现有工具（如ase、atomsk）依赖用户手动计算并输入旋转矩阵，本发明引入“三级层联筛选+多目标加权优化”的自动位向搜索框架：通过晶面间距预筛选将候选空间压缩至原先的20%~40%，再利用自适应容忍度剔除误匹配对，最后以三晶面法向量偏差、正交性保持和界面共格度为联合目标函数进行全局寻优。该方法可自动从实验位向关系数据出发，无需人工晶体学推导即可输出最优旋转矩阵，显著降低了对使用者专业知识的要求，且三晶面联合约束确保了三维取向的完整确定，避免了单晶面匹配可能导致的取向歧义。

75、（2）界面几何智能预优化。本发明独创性地提出了在能量弛豫之前执行的纯几何三阶段预优化算法（voronoi体积判定、异常峰检测、配位数异常剔除），无需依赖任何经验势函数即可消除95%以上的非物理高能构型。该方法不仅从根本上解决了传统“距离阈值去重”方法对复杂界面的不适应性问题，更使得后续能量弛豫的收敛迭代步数平均减少40%~60%，有效避免了因初始模型“先天缺陷”导致的模拟发散或虚假收敛。

76、（3）位向关系纳入高通量扫描变量。区别于现有高通量建模方法仅遍历析出相尺寸、形状等几何参数，本发明将位向关系类型（包括共格、半共格及非共格取向变体）也作为可扫描变量，使用户能够系统评估不同位向关系对界面能、强化效果及腐蚀行为的定量影响，为析出相微观组态的定向优化提供了完整的参数空间覆盖。

77、（4）三晶面联合正交基旋转矩阵计算方法。本发明提出的协方差矩阵特征分解混合正交基构造策略，在非立方晶系（六方、单斜、三斜）析出相与基体的位向对齐中，以最小二乘意义保持三个晶面法向量的取向信息，并通过强制正交化保证所得旋转矩阵的数学严格性，解决了传统双向量叉积法在处理非严格正交晶面组时的精度退化问题。