含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法

1.本发明涉及微观动力学技术领域，尤其是涉及含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法。


背景技术：

2.含缺陷金属材料体系的动力学蒙特卡洛模拟由于缺陷的存在，导致体系可能存在的微观动力学事件变得非常多，可能高达几百至几千个，都需要确定其相应的参数，极度增加了建模和定参的复杂度。一般来说，金属中常见的缺陷类型包括空位、间隙、杂质及其团簇等。目前，面向含缺陷金属材料的动力学蒙特卡洛建模技术方案主要包括即时第一性原理计算和预置分子动力学事件列表，但是，即时第一性原理计算和预置分子动力学事件列表存在建模耗时较长，效率低，无法模拟金属中缺陷的长时间演化过程，同时还存在微观模型复杂，且模型中需要计算的参数较多的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法，能够降低动力学演化行为分析复杂度，提升了对于含缺陷金属材料的动力学演化行为的建模效率及分析效率。
4.为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
5.第一方面，本发明实施例提供了一种含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法，包括：获取含缺陷金属材料面向动力学蒙特卡洛模拟的微观动力学事件的演化行为模型；其中，所述微观动力学事件包括缺陷结合/解离事件、缺陷发射/吸收事件和缺陷扩散事件中的任意一个或多个事件；基于高效物理建模算法获取所述动力学演化行为模型中的目标参数，建立所述目标参数的高效物理模型；其中，所述高效物理模型为反映所述目标参数随缺陷信息的高概率变化规律的近似模型，所述缺陷信息包括缺陷类型和缺陷尺寸。
6.进一步，所述目标参数随缺陷信息的高概率变化规律的近似，包括：所述含缺陷金属材料的缺陷及其团簇近似为球形，所述含缺陷金属材料中缺陷运动的尝试频率随所述缺陷尺寸的增加而降低，所述含缺陷金属材料中的稳定杂质缺陷团簇为球形，及所述含缺陷金属材料中的缺陷团簇的整体扩散是通过团簇边缘原子迁移的微观机制完成的中任意一个或多个。
7.进一步，所述微观动力学事件包括所述缺陷结合/解离事件和/或所述缺陷扩散事件，所述动力学演化行为模型为：
[0008][0009]
其中，kb为玻尔兹曼常数，t为温度，ki为事件i发生缺陷结合/解离事件，或者缺陷扩散事件的跃迁频率，为事件i下的尝试频率，为事件i下跃迁激活能；当所述含缺陷金属材料的缺陷为纯缺陷团簇时，所述事件i下包括所述缺陷类型为空位型缺陷v且所述缺
陷尺寸为nv的缺陷发生的结合/解离事件或者扩散事件、所述缺陷类型为间隙型缺陷i且所述缺陷尺寸为ni的缺陷发生的结合/解离事件或者扩散事件，以及所述缺陷类型为杂质型缺陷x且所述缺陷尺寸为n
x
的缺陷发生的结合/解离事件或者扩散事件；当所述含缺陷金属材料的缺陷为混合型缺陷时，所述事件i下包括所述缺陷尺寸为nv的空位型缺陷v与所述缺陷尺寸为n
x
的杂质型缺陷x发生的结合/解离事件或者扩散事件，以及所述缺陷尺寸为ni的间隙型缺陷i与所述缺陷尺寸为n
x
的杂质型缺陷x发生的结合/解离事件或者扩散事件。
[0010]
进一步，所述微观动力学事件为所述缺陷结合/解离事件，所述目标参数包括所述缺陷结合/解离事件的跃迁激活能；当所述含缺陷金属材料的缺陷为纯缺陷团簇时，所述缺陷结合/解离事件的跃迁激活能的高效物理模型为：
[0011][0012][0013]
其中，d为空位型缺陷v、间隙型缺陷i或杂质型缺陷x，nd为缺陷d的缺陷尺寸，为所述结合/解离事件的跃迁激活能，为纯缺陷团簇结合/解离的初态形成能，为纯缺陷团簇结合/解离的末态形成能，为纯缺陷团簇的形成能，为最小尺寸纯缺陷的形成能，所述最小尺寸纯缺陷的形成能为待求解参数。
[0014]
进一步，所述微观动力学事件为所述缺陷结合/解离事件，所述目标参数包括所述缺陷结合/解离事件的跃迁激活能；当所述含缺陷金属材料的缺陷为混合型缺陷时，所述缺陷结合/解离事件的跃迁激活能的高效物理模型为：
[0015][0016][0017]
n为空位型缺陷v或间隙型缺陷i，nn为缺陷n的尺寸，x为杂质型缺陷，n
x
为杂质型缺陷的尺寸，为缺陷n与杂质团簇结合产生的跃迁激活能，为混合型缺陷结合/解离的初态形成能，为混合型缺陷结合/解离的末态形成能，kn和bn与所述缺陷类型n相关，为最小缺陷的形成能，kn和bn为待求解参数。
[0018]
进一步，所述微观动力学事件包括缺陷结合/解离事件，所述目标参数包括所述缺陷结合/解离事件的尝试频率；
[0019]
当所述含缺陷金属材料的缺陷为纯缺陷团簇时，所述缺陷结合/解离事件的尝试频率的高效物理模型为：
[0020][0021]
当所述含缺陷金属材料的缺陷为混合型缺陷时，所述缺陷结合/解离事件的尝试
频率的高效物理模型为：
[0022][0023]
其中，d为空位型缺陷v、间隙型缺陷i或杂质型缺陷x，nd为缺陷d的缺陷尺寸，n为空位型缺陷v或间隙型缺陷i，nn为缺陷n的尺寸，n
x
为杂质型缺陷的尺寸，和为最小缺陷的尝试频率，所述最小缺陷的尝试频率为待求解参数。
[0024]
进一步，所述缺陷信息还包括团簇中的杂质累计浓度，所述微观动力学事件包括所述缺陷发射/吸收事件，所述缺陷发射/吸收事件的动力学演化行为模型为：
[0025][0026]
其中，c
x
为缺陷团簇中的杂质累计浓度，为所述缺陷发射/吸收事件的事件概率，c为缺陷团簇中的临界杂质浓度。
[0027]
进一步，所述目标参数包括所述团簇中的临界杂质浓度，所述团簇中的临界杂质浓度的高效物理模型为：
[0028][0029][0030]
其中，n
x，trap_mutation
为发射事件发生时的缺陷临界数量，n为空位型缺陷v或间隙型缺陷i，nn为缺陷n的缺陷尺寸，a0为晶格常数，和为线性比例系数，所述线性比例系数和与所述缺陷类型和所述缺陷尺寸相关，所述线性比例系数为待求解参数。
[0031]
进一步，所述微观动力学事件为所述缺陷扩散事件，所述目标参数包括所述缺陷扩散事件的尝试频率，所述缺陷扩散事件的尝试频率的高效物理模型为：
[0032][0033][0034][0035][0036][0037]
其中，v为空位型缺陷，i为间隙型缺陷，x为杂质型缺陷，nv为所述空位型缺陷的尺寸，ni为所述间隙型缺陷的尺寸，n
x
为所述杂质型缺陷的尺寸，和为各纯缺陷团簇扩散事件的尝试频率，和为混合型缺陷扩散事件的尝试频率，av为根据不同体系设置的底数参数。
[0038]
进一步，所述目标参数包括所述缺陷扩散事件的跃迁激活能，所述缺陷扩散事件的跃迁激活能的高效物理模型为：
[0039][0040]
s(nd)＝0.5[1-tanh(nd)]
ꢀꢀ
(式十七)
[0041][0042]
其中，d为空位型缺陷v、间隙型缺陷i或杂质型缺陷x，nd为缺陷d的缺陷尺寸，为所述缺陷扩散事件的跃迁激活能，为单缺陷的迁移势垒，为单缺陷在团簇界面的迁移势垒，s(nd)为过渡函数，n为空位型缺陷v或间隙型缺陷i，为单缺陷n的迁移势垒，为混合缺陷的扩散激活能。
[0043]
本发明实施例提供了一种含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法，该方法包括：获取含缺陷金属材料面向动力学蒙特卡洛模拟的微观动力学事件下的演化行为模型；其中，微观动力学事件包括缺陷结合/解离事件、缺陷发射/吸收事件和缺陷扩散事件中的任意一个或多个事件；基于高效物理建模算法获取动力学演化行为模型中的目标参数，建立基于目标参数的高效物理模型；其中，高效物理模型为反映目标参数随缺陷信息的高概率变化规律的近似模型，缺陷信息包括缺陷类型和缺陷尺寸。
[0044]
上述含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法，通过获取对含缺陷金属材料面向动力学蒙特卡洛模拟时所建立的微观动力学事件下的学演化行为模型，并根据高效物理建模算法确定动力学演化行为模型中的目标参数的高效物理模型，可以简化微观动力学事件的建模过程，减少了需要直接进行高性能数值模拟计算求解的参数数量，且由于建立的高效物理模型中的待求解参数较少，降低了动力学演化行为分析复杂度，提升了对于含缺陷金属材料的动力学演化行为的建模效率及分析效率。
[0045]
本发明实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明实施例的上述技术即可得知。
[0046]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1示出了本发明实施例所提供的含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法流程图。
具体实施方式
[0049]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0050]
金属中缺陷的动力学演化行为是评估其材料性能、服役行为和老化效应的关键影响因素，而动力学蒙特卡洛方法是对其计算模拟的主要方法之一。动力学蒙特卡洛方法基于对微观动力学事件发生的概率：
[0051][0052]
进行采样，从而获得整个材料体系的动力学演化行为。该式中，ki为i事件发生的概率(跃迁频率)，为概率系数(尝试频率)，为i事件发生所需克服的势垒(跃迁激活能)，kb为玻尔兹曼常数，t为温度。和为i事件的参数。因此，采用蒙特卡洛方法模拟材料体系的演化关键在于确定所有可能发生的事件i，并确定相应的参数和
[0053]
含缺陷金属材料体系的动力学蒙特卡洛模拟由于缺陷的存在，导致体系可能存在的微观动力学事件变得非常多，可能高达几百至几千个，都需要确定其相应的参数，增加了建模和定参的复杂度。一般来说，金属中常见的缺陷包括空位、间隙、杂质及其团簇等。对于这些缺陷的动力学蒙特卡洛建模，目前采用的技术方案主要分为两种：
[0054]
第一种，即时调用第一性原理计算：在动力学蒙特卡洛模拟过程中，当可能发生i事件时，即时调用第一性原理计算获得该事件的激活能，并结合过渡态理论获得指前因子最终根据公式(1)计算得到该事件的跃迁频率ki，从而进行随机采样推动体系动力学演化。
[0055]
第二种，预置分子动力学(md)事件列表：在进行动力学蒙特卡洛模拟之前，对起主导作用的所有可能微观动力学事件进行激活能和指前因子的计算，并根据公式(1)计算出所有相应微观事件的缺陷频率，制成参数列表，预置到动力学蒙特卡洛程序中，在动力学蒙特卡洛模拟时，进行参数列表搜索。
[0056]
现有的面向含缺陷金属材料体系的动力学蒙特卡洛建模的技术方案，包括即时第一性原理计算和预置分子动力学事件列表，存在以下几个问题：
[0057]
(a)即时第一性原理计算建模耗时长、效率低，导致极大的限制了动力学蒙特卡洛的模拟时间，导致不能模拟金属中缺陷的长时间演化过程。
[0058]
(b)微观模型复杂，计算参数多，费时费力。由于金属材料体系中，缺陷的类型和微观动力学过程多，事件的模型参数极多，导致计算量极大。以空位缺陷为例，要准确获得空位缺陷的所有微观动力学事件，需要考虑其可能发生的所有动力学事件，包括形成、迁移、结合、解离和发射等；同时，不仅需要计算单空位的这些相关动力学事件参数，还需要计算不同尺寸空位团簇的相关动力学参数，根据系统的不同，可能空位团簇尺寸多达到几十个，每个尺寸空位团簇的动力学事件参数都需要单独计算，导致仅仅针对空位缺陷的动力学蒙特卡洛建模就需要几百次数值模拟计算，非常繁琐。
[0059]
(c)建模不具备对不同系统的可移植性，通用性较差。由于现有的技术手段是基于第一性原理计算和分子动力学计算，导致计算得到的参数只适用于特定的体系，更换另一金属体系研究则需要进行新的参数计算，降低了模型和程序的通用性。
[0060]
为改善上述问题，本发明实施例提供了一种含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法。以下对本发明实施例进行详细介绍。
[0061]
本实施例提供了一种含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法，参见图1所示的含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法流程图，该方法包括以下步骤s102～步骤s104：
[0062]
步骤s102，获取含缺陷金属材料面向动力学蒙特卡洛模拟的微观动力学事件的演化行为模型。
[0063]
上述微观动力学事件包括缺陷结合/解离事件、缺陷发射/吸收事件和缺陷扩散事件中的任意一个或多个事件。目前，在面向含缺陷金属材料进行动力学蒙特卡洛模拟时，建立的微观动力学事件的动力学演化行为模型通常为上述公式(1)所示的模型，以得到事件发生概率，在不同的微观动力学事件下，对应的动力学演化行为模型可能不同。
[0064]
步骤s104，基于高效物理建模算法获取动力学演化行为模型中的目标参数，建立目标参数的高效物理模型。
[0065]
上述高效物理模型为反映目标参数随缺陷信息的高概率变化规律的近似模型，上述缺陷信息包括缺陷类型和缺陷尺寸。上述高效物理模型为目标参数随缺陷信息的高概率变化规律(即目标参数在通常情况下随缺陷信息的主要变化规律，也可以称为微观动力学事件的近似处理)建模并优化得到的近似模型，仅需要计算该高效物理模型中的少量参数，就可以得到动力学蒙特卡洛模拟所需的事件概率，简化了含缺陷金属材料的动力学模型，极大地减少了工作量。
[0066]
由于上述动力学演化行为模型对于不同的微观动力学事件可能不同，因此，不同微观动力学事件的目标参数也不相同。
[0067]
在缺陷结合/解离事件下，上述目标参数包括缺陷结合/解离事件的跃迁激活能和缺陷结合/解离事件的尝试频率；在缺陷发射/吸收事件下，上述目标参数包括团簇中的临界杂质浓度；在缺陷扩散事件下，上述目标参数包括缺陷扩散事件的尝试频率和缺陷扩散事件的跃迁激活能。
[0068]
本实施例提供的上述含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法，通过获取对含缺陷金属材料面向动力学蒙特卡洛模拟时所建立的微观动力学事件的演化行为模型，并根据高效物理建模算法确定动力学演化行为模型中的目标参数的高效物理模型，可以简化微观动力学事件的建模过程，减少了需要直接进行高性能数值模拟计算求解的参数数量，且由于建立的高效物理模型中的待求解参数较少，降低了动力学演化行为分析复杂度，提升了对于含缺陷金属材料的动力学演化行为的建模效率及分析效率。
[0069]
在一种可行的实施方式中，上述目标参数随缺陷信息的高概率变化规律的近似(即微观动力学事件的近似处理)，包括：含缺陷金属材料的缺陷及其团簇近似为球形，含缺陷金属材料中缺陷运动的尝试频率随所述缺陷尺寸的增加而降低，含缺陷金属材料中的稳定杂质缺陷团簇为球形，及含缺陷金属材料中的缺陷团簇的整体扩散是通过团簇边缘原子迁移的微观机制完成的中任意一个或多个条件。
[0070]
在缺陷结合/解离事件下，上述微观动力学事件的近似处理，即建立缺陷结合/解离事件的跃迁激活能的高效物理模型的依据为：通常情况下，在一般金属材料中，缺陷及其团簇近似为球形；建立缺陷结合/解离事件的尝试频率的高效物理模型的依据为：通常情况下，金属材料缺陷运动的尝试频率随其尺寸的增加而降低。
[0071]
在缺陷发射/吸收事件下，上述微观动力学事件的近似处理，即建立团簇中的临界杂质浓度的高效物理模型的依据为：通常情况下，金属材料中的稳定杂质缺陷团簇为球形，且其发生发射行为的临界杂质浓度与团簇的体积表面积比成正比。
[0072]
在缺陷扩散事件下，上述微观动力学事件的近似处理，即建立缺陷扩散事件的尝试频率的高效物理模型的依据为：通常情况下，金属材料缺陷运动的尝试频率随其尺寸的增加而降低；建立缺陷扩散事件的跃迁激活能的高效物理模型的依据为：通常情况下，缺陷团簇的整体扩散是通过团簇边缘原子迁移这样的微观机制完成的。
[0073]
在一种可行的实施方式中，当上述微观动力学事件为缺陷结合/解离事件或缺陷扩散事件时，在对含缺陷金属材料进行动力学蒙特卡洛模拟时，所建立的微观动力学事件下的动力学演化行为模型为：
[0074][0075]
其中，kb为玻尔兹曼常数，t为温度，ki为事件i下发生缺陷结合/解离事件，或者缺陷扩散事件的跃迁频率，为事件i下的尝试频率，为事件i下跃迁激活能。
[0076]
当含缺陷金属材料的缺陷为纯缺陷团簇时，事件i下包括缺陷类型为空位型缺陷v且缺陷尺寸为nv的缺陷发生的结合/解离事件或者扩散事件、缺陷类型为间隙型缺陷i且缺陷尺寸为ni的缺陷发生的结合/解离事件或者扩散事件，以及缺陷类型为杂质型缺陷x且缺陷尺寸为n
x
的缺陷发生的结合/解离事件或者扩散事件。
[0077]
当含缺陷金属材料的缺陷为混合型缺陷时，事件i下包括缺陷尺寸为nv的空位型缺陷v与缺陷尺寸为n
x
的杂质型缺陷x发生的结合/解离事件或者扩散事件，以及缺陷尺寸为ni的间隙型缺陷i与缺陷尺寸为n
x
的杂质型缺陷x发生的结合/解离事件或者扩散事件。
[0078]
在一种可行的实施方式中，本实施例提供了微观动力学事件为缺陷结合/解离事件时的建模过程：
[0079]
金属体系中的缺陷由于具有相互吸引和排斥作用，会发生缺陷的结合/解离过程。结合/解离事件的概率与缺陷类型和尺寸有关，以v、i和x分别代表空位型缺陷、间隙型缺陷和杂质型缺陷，以nv，ni，n
x
分别代表空位型缺陷的尺寸、间隙型缺陷的尺寸和杂质型缺陷的尺寸，则不同尺寸间隙、空位、杂质型缺陷发生结合/解离事件的跃迁频率为(动力学演化行为模型)：
[0080][0081]
[0082][0083][0084][0085]
其中，kb为玻尔兹曼常数，t为温度，为含缺陷金属材料在空位型缺陷v的尺寸为nv时发生结合/解离事件的跃迁频率，为含缺陷金属材料在间隙型缺陷i的尺寸为ni时发生结合/解离事件的跃迁频率，为含缺陷金属材料在杂质型缺陷x的尺寸为n
x
时发生结合/解离事件的跃迁频率。为空位(v)与杂质(x)的混合型缺陷发生结合/解离事件的跃迁频率，为间隙(i)与杂质(x)的混合型缺陷发生结合/解离事件的跃迁频率。
[0086]
为空位型缺陷v的缺陷尺寸为nv时发生的结合/解离事件的尝试频率，为空位型缺陷v的缺陷尺寸为nv时发生的结合/解离事件的跃迁激活能，为间隙型缺陷i的缺陷尺寸为ni时发生的结合/解离事件的尝试频率，为间隙型缺陷i的缺陷尺寸为ni时发生的结合/解离事件的跃迁激活能，为杂质型缺陷x的缺陷尺寸为n
x
时发生的结合/解离事件时的尝试频率，为杂质型缺陷x的缺陷尺寸为n
x
时发生的结合/解离事件时的跃迁激活能。为空位(v)与杂质(x)的混合型缺陷发生结合/解离事件的尝试频率，为空位(v)与杂质(x)的混合型缺陷发生结合/解离事件的跃迁激活能。为间隙(i)与杂质(x)的混合型缺陷发生结合/解离事件的尝试频率，为间隙(i)与杂质(x)的混合型缺陷发生结合/解离事件的跃迁激活能。
[0087]
确定相应的目标参数和(d＝i，v，x，vx，ix等)是计算结合/解离事件发生概率的关键。
[0088]
建立缺陷结合/解离事件的高效物理模型的过程包括：
[0089]
(1)缺陷结合/解离事件的跃迁激活能的高效物理模型建模：
[0090]
在结合/解离事件中，对应的微观物理量为缺陷的结合/解离能。在金属材料给中，缺陷结合/解离能可以由结合/解离过程前后的状态能量差获得，当含缺陷金属材料的缺陷为纯缺陷团簇时：
[0091][0092]
当含缺陷金属材料的缺陷为混合型缺陷时，
[0093][0094]
其中，d为空位型缺陷v、间隙型缺陷i或杂质型缺陷x，nd为缺陷d的缺陷尺寸，为所述结合/解离事件的跃迁激活能，为纯缺陷团簇结合/解离的初态形成能，为纯缺陷团簇结合/解离的末态形成能。具体到不同空位型缺陷、间隙型缺陷、杂质型缺陷的结合事件上，该公式可以写为：
[0095][0096][0097][0098][0099][0100][0101][0102]
上述即为各类纯缺陷团簇结合的初态形成能，和为各类混合缺陷结合的初态形成能，上述公式(9)～公式(15)的逆运算即为解离过程。
[0103]
将结合/解离能的计算转换为不同尺寸、类型缺陷的形成能计算。经验上，在一般金属材料中，缺陷及其团簇近似为球形。在此经验假设下，缺陷团簇的形成能可以用表面张力定律描述，即缺陷团簇的形成能与其表面积成正比：
[0104][0105]
其中，为缺陷团簇的表面积，n
conf
为金属的晶格结构因子，a0为晶格常数。由
此可得：
[0106][0107]
则
[0108][0109]
为纯缺陷团簇的形成能，为最小尺寸纯缺陷的形成能，对于任意尺寸纯缺陷团簇，只需根据实验测量或第一性原理等理论计算其单缺陷的形成能，便可以通过上式获得其他所有尺寸的缺陷形成能
[0110]
对于混合型缺陷，即含杂质的缺陷团簇，金属材料学经验可知，杂质的存在会增加缺陷团簇的形成能，同时该效应会随着杂质/缺陷比例的减小而减小，由此，可以建立混合型缺陷的形成能：
[0111][0112]
其中，n为空位型缺陷v或间隙型缺陷i(即n＝i，v)，nn为缺陷n的尺寸，x为杂质型缺陷，n
x
为杂质型缺陷的尺寸，为缺陷n与杂质团簇结合产生的跃迁激活能，为混合型缺陷结合/解离的初态形成能，为混合型缺陷结合/解离的末态形成能，kn和bn与所述缺陷类型n相关，为最小缺陷的形成能，kn和bn为待求解参数。
[0113]
上述kn和bn为待定参数，只与缺陷类型n(n＝i，v)有关，可以通过纯缺陷的形成能计算获得混合缺陷的形成能
[0114]
结合上面各式，我们就可以只计算几个少数参量(kn，bn，d＝i，v，x，n＝i，v)就可以获得金属材料体系中所有结合/解离事件(根据缺陷尺寸的不同，事件数可能达几百)的激活能
[0115]
(2)缺陷结合/解离事件的尝试频率的高效物理模型建模：
[0116]
作为事件对象的尝试频率，一般来说与金属材料的晶格结构、原子振动熵和构型熵有关，同时受meyer-neldel定律约束与激活能相关，通常情况下，金属材料缺陷运动的尝试频率随其尺寸的增加而降低。在结合/解离微观过程中，发生动作的是单缺陷而非缺陷团簇(结合过程：单缺陷运动与缺陷团簇结合；解离过程：单缺陷运动与团簇缺陷解离)，因此，可以将缺陷团簇的尝试频率简化为单缺陷尝试频率的计算：
[0117][0118][0119][0120][0121][0122]
其中，和分别为空位型缺陷v、间隙型缺陷i和杂质型缺陷x的最小缺陷尝试频率，和为混合缺陷在结合/解离事件下的尝试频率，通常可以近似为金属的德拜频率，由此，可以只计算参量(和)就可以获得金属材料体系中所有缺陷结合/解离过程的尝试频率
[0123]
上述实施例提供了缺陷结合/解离事件微观动力学过程的跃迁激活能随缺陷类型、缺陷尺寸的定量变化规律，使得缺陷结合/解离事件概率不需要逐个进行第一性原理和分子动力学计算，减少了建模计算量。
[0124]
在一种可行的实施方式中，上述缺陷信息还包括团簇中的杂质累计浓度，本实施例提供了微观动力学事件为缺陷发射/吸收事件时的建模过程：
[0125]
金属体系中的杂质缺陷由于杂质应力的累积和捕获势阱的存在，会发生缺陷的发射/吸收过程。发射/吸收事件的概率与缺陷类型和尺寸有关，并是杂质浓度(数量)的函数。当杂质累积浓度(数量n
x
)未达到临界值时，发射/吸收事件不发生，事件概率当杂质累积浓度(数量n
x
)达到临界浓度时，缺陷发射/吸收发生，事件概率为1。因此，事件概率的计算可以转换为发生发射/吸收事件的杂质缺陷临界数量计算。
[0126]
缺陷发射/吸收事件的动力学演化行为模型为：
[0127][0128]
其中，c
x
为缺陷团簇中的杂质累计浓度，为缺陷发射/吸收事件的事件概率，c为缺陷团簇中的临界杂质浓度。
[0129]
通常情况下，金属材料中的稳定杂质缺陷团簇为球形，且其发生发射行为的临界杂质浓度与团簇的体积表面积比成正比，则建立缺陷发射/吸收事件的高效物理模型的过程包括：
[0130][0131]
其中，n
x，trap_mutation
为发射事件发生时的缺陷临界数量，n为空位型缺陷v或间隙型缺陷i，nn为缺陷n的缺陷尺寸，为团簇中的临界杂质浓度，为团簇
体积，为团簇表面积，又根据团簇的球模型，可得：
[0132][0133]
引入线性比例系数l1，l2，同时考虑到n
x，trap_mutation
应为整数，可得：
[0134][0135]
其中，n
x，trap_mutation
为发射事件发生时的杂质临界数量，n为空位型缺陷v或间隙型缺陷i，nn为缺陷n的缺陷尺寸，和为线性比例系数，线性比例系数和与缺陷类型和缺陷尺寸相关，线性比例系数为待求解参数。
[0136]
由此，可以通过计算缺陷的线性比例系数(和)就可以得到不同缺陷类型和尺寸下，发射/吸收事件的临界杂质浓度值，并由此计算得到缺陷发射/吸收事件的事件概率。
[0137]
上述实施例提供了杂质缺陷发射/吸收事件发生的临界条件随杂质缺陷数量的变化规律，简化了缺陷发射/吸收事件的微观建模。
[0138]
在一种可行的实施方式中，本实施例提供了微观动力学事件为缺陷扩散事件(也可以称为迁移动力学行为)时的建模过程：
[0139]
金属体系中的缺陷由于热运动作用会发生扩散事件。扩散事件的概率与缺陷类型和尺寸有关，以v，i，x分别代表空位型缺陷、间隙型缺陷和杂质型缺陷，以nv，ni，n
x
分别代表空位型缺陷的尺寸、间隙型缺陷的尺寸和杂质型缺陷的尺寸，则不同缺陷发生扩散事件的跃迁频率为：
[0140][0141][0142][0143][0144][0145]
参数对应的微观量是不同缺陷的扩散势垒，对应的微观量是缺陷扩散的尝试频率。
[0146]
为含缺陷金属材料在空位型缺陷v的尺寸为nv时发生扩散事件的跃迁频率，为含缺陷金属材料在间隙型缺陷i的尺寸为ni时发生扩散事件的跃迁频率，
为含缺陷金属材料在杂质型缺陷x的尺寸为n
x
时发生扩散事件的跃迁频率。为空位(v)与杂质(x)的混合型缺陷发生扩散事件的跃迁频率，为间隙(i)与杂质(x)的混合型缺陷发生扩散事件的跃迁频率。
[0147]
为空位型缺陷v的缺陷尺寸为nv时发生的扩散事件的尝试频率，为空位型缺陷v的缺陷尺寸为nv时发生的扩散事件的跃迁激活能，为间隙型缺陷i的缺陷尺寸为ni时发生的扩散事件的尝试频率，为间隙型缺陷i的缺陷尺寸为ni时发生的扩散事件的跃迁激活能，为杂质型缺陷x的缺陷尺寸为n
x
时发生的扩散事件时的尝试频率，为杂质型缺陷x的缺陷尺寸为n
x
时发生的扩散事件时的跃迁激活能。为空位(v)与杂质(x)的混合型缺陷发生扩散事件的尝试频率，为空位(v)与杂质(x)的混合型缺陷发生扩散事件的跃迁激活能。为为间隙(i)与杂质(x)的混合型缺陷发生扩散事件的尝试频率，为为间隙(i)与杂质(x)的混合型缺陷发生扩散事件的跃迁激活能。
[0148]
建立缺陷扩散事件的高效物理模型的过程包括：
[0149]
1)缺陷扩散事件的尝试频率的高效物理模型建模：
[0150]
(d＝v，i，x)作为缺陷扩散事件对象的尝试频率，通常与金属材料的晶格结构、原子振动熵和构型熵有关，同时受meyer-neldel定律约束与激活能相关。通常认为金属材料缺陷运动的尝试频率随其尺寸的增加而降低。在扩散过程中，缺陷团簇整体运动，同时，由于本身反应的是金属晶格原子的性质，杂质原子对的影响较小可以忽略。因此，可以建立的高效物理模型：
[0151][0152][0153][0154][0155][0156]
其中，v为空位型缺陷，i为间隙型缺陷，x为杂质型缺陷，nv为空位型缺陷的尺寸，ni为间隙型缺陷的尺寸，n
x
为杂质型缺陷的尺寸，和为混合型缺陷
扩散事件的尝试频率，av为根据不同体系设置的底数参数。和为各纯缺陷团簇扩散事件的尝试频率，通常可以近似为金属的德拜频率。由此，可以只计算高效物理模型中的几个少数参量(av，和)就可以获得金属材料体系中所有不同尺寸缺陷在缺陷扩散事件下的尝试频率
[0157]
2)缺陷扩散事件的跃迁激活能的高效物理模型建模：
[0158]
对于不同缺陷d的扩散势垒通常情况下认为缺陷团簇的整体扩散是通过团簇边缘原子迁移这样的微观机制完成的。因此，团簇的迁移势垒应具有这样的特征：当团簇尺寸非常小时，其迁移势垒趋于单缺陷(最小缺陷单位)的迁移势垒当团簇尺寸足够大时，其迁移势垒趋于单缺陷(最小缺陷单位)在团簇界面的迁移势垒因此，我们可以用一个过渡函数s(nd)来近似任意尺寸缺陷团簇的迁移势垒，缺陷扩散事件的跃迁激活能的高效物理模型为：
[0159][0160]
s(nd)＝0.5[1-tanh(nd)]，
ꢀꢀ
(40)
[0161]
其中，d为空位型缺陷v、间隙型缺陷i或杂质型缺陷x，nd为缺陷d的缺陷尺寸，为缺陷扩散事件的跃迁激活能，为单缺陷的迁移势垒，为单缺陷在团簇界面的迁移势垒，s(nd)为过渡函数。
[0162]
混合缺陷的扩散模型为：
[0163]
n为空位型缺陷v或间隙型缺陷i，为单缺陷n的迁移势垒，为混合缺陷的扩散激活能。
[0164]
由此，可以通过只计算单缺陷在体相和界面上的迁移势垒(和)，就得到不同尺寸缺陷团簇的迁移势垒，即获得进而完成缺陷扩散事件的尝试频率的计算。
[0165]
本实施例提供了缺陷扩散事件下跃迁激活能和尝试频率随缺陷类型和尺寸的定量变化规律，使得扩散事件概率不需要逐个进行第一性原理和分子动力学计算。
[0166]
本实施例提供的上述含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法，通过分析含缺陷金属体系微观动力学事件的物理机制，对不同微观动力学事件进行了定量建模，从而可以通过简单的解析式模型和少量的参数计算即获得不同缺陷不同微观动力学事件的跃迁概率，完成针对含缺陷金属体系的动力学蒙卡方法建模。
[0167]
例如，对于含一种杂质的金属材料体系，考虑到其包含空位、间隙、杂质型缺陷等在内的多种缺陷，同时缺陷尺寸可达纳米尺度，即每种缺陷就可能有几百个尺寸，对这些不
同尺寸不同类型缺陷分别计算和需要完成千余次单独计算，非常复杂和耗时。但是使用上述含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法，只需计算少量几个参数：kn，bn，(结合/解离事件)，av，(扩散事件)和其中，d依次取v，j，x，即可根据上述高效物理模型确定不同尺寸和类型缺陷的和从而完成动力学蒙特卡洛的建模和概率计算，极大地减少了工作量。且由于上述高效物理模型是在一般金属的物理规律基础上构建的，具有对金属材料的普适性，针对不同金属材料只需计算不同少量高效物理模型参数即可，不需要更换模型，因此本实施例提供的上述含缺陷金属材料的新型动力学蒙特卡洛建模方法可以适用于多种金属体系，建模具有通用性。
[0168]
本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器、存储器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例提供的方法的步骤。
[0169]
本发明实施例提供了一种计算机可读介质，其中，所述计算机可读介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，所述计算机可执行指令促使所述处理器实现上述实施例所述的方法。
[0170]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0171]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。