一种BCC基金属及合金空位团簇转位错环计算方法及系统

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bcc基金属及合金空位团簇转位错环计算方法及系统，用于对空位团簇初态和空位型a〈100〉位错环末态进行精确构建、化学成分约束、弛豫后拓扑验证、原子身份保持映射、弹性带路径生成及转变能垒计算。

背景技术：

1、空位团簇和空位型位错环是金属及合金在辐照、淬火、塑性变形和高温服役过程中形成的重要缺陷。空位团簇由三维聚集态向平面空位片或棱柱型位错环转变，会改变缺陷的迁移方式、捕获截面和弹性相互作用，进而影响材料的辐照硬化、肿胀、脆化和长期服役性能。通过原子尺度模拟获得该转变过程的反应路径和能量特征，是理解缺陷演化机制及评价合金抗辐照性能的重要手段。

2、neb类弹性带方法要求初态与末态具有相同的原子总数、相同的逐元素原子计数以及确定的一一原子对应关系。在单质体系中，原子身份约束相对简单；但在多组元随机合金中，空位团簇初态与位错环末态通常缺失不同的参考晶格位置，即使总空位数相同，被删除位置对应的元素组成仍可能不同，从而造成端点逐元素计数不一致，或者在强行统一编号时破坏原子化学身份。

3、若直接沿用两个独立结构文件中的原子编号，或者采用逐原子局部最近邻匹配，容易出现异种元素误配、多个源原子竞争同一目标原子以及跨周期边界的伪长距离移动。对于非正交周期晶胞，若未按照晶胞几何求取周期性最短位移，还可能进一步放大映射误差。上述问题会在插值路径图像中造成原子重叠、局部高应变和异常高能结构，降低路径优化的数值稳定性和所得能量路径的物理可解释性。

4、位错环构造还具有离散性。连续变化的几何半径并不对应连续变化的删除原子数，给定半径生成的实际空位数可能偏离目标值。对于小尺寸多组元位错环，局域化学环境和势函数特性还可能使构造态在能量最小化后发生塌陷、分裂、开口或转变为其他伯格斯矢量的缺陷。因此，仅检查构造前几何参数不能保证末态是有效的空位型 a〈100〉位错环。

5、此外，neb计算完成预设迭代并不等同于获得收敛鞍点。若路径残余力仍较大、图像间结构不连续或ci-neb攀爬像未达到收敛条件，所得峰值不宜直接表述为收敛鞍点能垒。现有计算流程通常分别处理端点构造、位错识别、原子映射和路径计算，若缺少贯穿全部步骤的统一校验机制，则不利于不同材料体系、空位数和化学随机种子之间的可重复比较。

6、因此，需要一种将离散晶格拓扑、缺陷后化学组成、参考位点身份、周期晶胞几何、弛豫后位错拓扑以及路径收敛判据相互联动的技术方案，使只有满足物理端点约束和原子身份约束的结构进入弹性带计算，并对路径结果进行可追溯的分级输出。

技术实现思路

1、本发明旨在解决多组元bcc合金空位团簇向空位型a〈100〉位错环转变模拟中的以下技术问题：目标空位数与实际构造空位数不一致；初末态逐元素原子数不一致；异种元素、非一一映射或周期边界处理不当导致原子身份错误；弛豫后目标位错环发生塌陷、开口、分裂或伯格斯矢量类型错误；插值路径图像出现原子重叠、局部过大应变或异常能量；以及将未收敛neb路径峰值误判为收敛鞍点能垒。

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bcc基金属及合金空位团簇转位错环计算方法，包括：

4、建立具有周期晶胞信息、元素类型和参考晶格位点标识的bcc参考晶格；

5、根据目标空位数、位错环取向、环中心及几何参数，对候选位错环的离散晶格拓扑进行搜索，获得实际删除位置数严格等于目标空位数的位错环删除位置集合；

6、统计位错环删除位置集合的分元素删除数量，并在同一化学分配的参考结构上按照相同的分元素删除数量构造空位团簇初态，使空位团簇初态与位错环末态的剩余原子总数及各元素原子数分别一致；

7、在相同周期边界条件和相同原子间相互作用模型下分别弛豫初态和末态，并依据弛豫后位错线网络的闭合连通性、伯格斯矢量及空位属性验证位错环末态；

8、将初末态中参考位点标识相同且元素类型相同的原子作为拓扑锚点直接建立对应关系，对其余原子按元素类型分别进行基于周期性最短位移的全局一一匹配；

9、依据拓扑锚点和全局一一匹配统一初末态原子身份及原子编号，生成并校验弹性带路径图像，执行普通neb路径优化，并在需要时在普通neb基础上执行ci-neb路径优化；

10、依据路径残余力、图像连续性和攀爬像收敛状态，输出诊断路径、neb路径峰值或收敛鞍点能垒。

11、进一步地，所述bcc参考晶格由三个方向的bcc常规晶胞重复数、、和晶胞矩阵h确定，完美参考晶格原子数满足；每一理想晶格位置赋予在端点构造、原子映射和结果追溯过程中保持不变的唯一参考位点标识。

12、进一步地，所述离散晶格拓扑的搜索方法包括：在预设候选参数空间内改变位错环半径、环中心相对于晶格面的偏移量和删除晶格层数中的至少一项，对每一候选结构计算实际删除位置集合及其基数；仅将满足的候选结构作为目标空位数的可接受候选；当不存在精确匹配时，扩展候选参数空间或输出当前参数空间内不可实现目标空位数的提示。

13、进一步地，所述元素类型分配采用缺陷后成分约束模式或完美晶格成分约束模式；在缺陷后成分约束模式下，先确定位错环删除位置集合的几何位置，对其余参考位点按照目标成分比例进行整数化分配以获得缺陷结构的目标逐元素原子数，再对位错环删除位置集合分配元素并形成分元素删除向量，二者合并得到共同化学参考结构；在完美晶格成分约束模式下，先确定完美参考晶格的逐元素整数原子数并在全部参考位点上分配元素，再由位错环删除位置集合统计分元素删除向量。

14、进一步地，所述空位团簇初态包括球形空位团簇、四面体形空位团簇、平面空位片、椭球形空位团簇、柱形空位团簇、多层片状空位团簇或由空间评价函数确定的空位团簇；对于任一初态和任一元素，均从共同化学参考结构中该元素对应的候选原子集合内选取待删除原子，且所删除的该元素原子数等于位错环删除位置集合中该元素的删除数量。

15、进一步地，所述验证位错环末态的方法包括：提取位错线网络；将共享端点或端点周期性距离小于连接阈值的位错线段归并为连通分量；判断目标连通分量是否闭合、其伯格斯矢量是否属于a〈100〉族以及闭合误差是否小于设定阈值，并通过参考位点占据分析、缺失晶格位置计数和原子体积亏缺中的至少一种方式判断目标连通分量是否对应空位型缺陷。

16、进一步地，所述拓扑锚点为初末态中参考位点标识相同且元素类型一致的原子；当同一参考位点在初末态中不存在对应原子或元素类型不一致时，不建立拓扑锚点，并将相关原子纳入同元素非共有原子集合进行全局匹配。

17、本发明还提供一种基于上述bcc基金属及合金空位团簇转位错环计算方法的计算系统，包括：

18、参数接收模块，用于读取材料体系参数、晶体结构参数、缺陷参数、化学随机种子、端点弛豫参数、位错拓扑判据和弹性带计算参数；

19、参考晶格与化学分配模块，用于生成带参考位点标识的多组元bcc参考结构；

20、离散拓扑搜索模块，用于搜索实际删除位置数等于目标空位数的位错环删除位置集合；

21、初态构造模块，用于依据位错环删除位置集合的分元素删除向量构造化学一致的空位团簇初态；

22、端点弛豫与位错拓扑验证模块，用于弛豫端点并依据闭合连通性、伯格斯矢量和空位属性筛选有效位错环末态；

23、原子映射模块，用于保持拓扑锚点并对其余同元素原子执行周期性全局一一匹配；

24、路径任务生成模块，用于统一原子编号、确定路径图像数并生成和校验弹性带路径图像，作为普通neb或ci-neb路径优化的输入；

25、结果提取与分级模块，用于执行或调用普通neb及ci-neb路径优化，并输出诊断路径、neb路径峰值或收敛鞍点能垒；

26、校验追溯与并行调度模块，用于保存散列值、映射表、日志和任务数组信息。

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bcc基金属及合金空位团簇转位错环计算方法的程序，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bcc基金属及合金空位团簇转位错环计算方法的步骤。

29、本发明的有益效果如下：

30、本发明通过离散拓扑搜索而非仅按连续几何半径估算，保证实际构造空位数与目标空位数严格一致；通过位错环删除位置集合的分元素删除向量约束所有初态，保证初末态总原子数和逐元素计数一致，避免人为改变合金化学组成；通过参考位点拓扑锚点和同元素周期性全局最优匹配，避免异种元素误映射、非一一映射以及跨周期边界的伪长距离移动；通过弛豫后的闭合连通分量、伯格斯矢量和空位属性验证，自动剔除塌陷、分裂、开口或类型错误的位错环末态；通过路径图像数自适应、插值质量检查和预处理，降低原子重叠、过大原子力和路径数值发散的概率；通过“诊断路径—neb路径峰值—收敛鞍点能垒”的分级规则，将普通neb路径收敛与ci-neb鞍点收敛明确区分，避免把数值未收敛或未经攀爬像确认的路径峰值表述为精确鞍点能垒；通过结构化配置、散列校验、原子映射表和批量并行调度，提高不同材料体系、空位数和随机种子计算的重复性、可追溯性和批量处理效率。