[0001] 本发明属于材料领域，涉及材料动力学模拟过程，具体涉及一种金属配副摩擦过程中金属冶金结合的模拟方法。

[0002] 紧固件等金属配副在服役过程中不可避免地会存在摩擦过程，而高温(比如600度以上)受载工况下，摩擦过程中发生的冶金结合现象更会对零部件可靠性产生显著影响。对于实际使用过程中金属配副在摩擦过程中是否发生冶金结合，传统的判断方法为与同条件下的试验结果进行对比。其中，试验条件与实际工况接近程度越高，对比结果准确度越高，但同时试验可能会更复杂，试验时间可能会更长。

[0003] 仿真模拟作为一种新型验证方法，通过在微观层面对原子或分子施加温度场、力场和速度场，使其在场作用下发生偏移，相较于实验判断方法，模拟仿真实验更为简单，所需时间也更短。但是，金属配副冶金结合是一个十分复杂的过程，且其中原子或分子的运动涉及微观层面，难以观察运动的整个过程，无法对冶金结合的过程进行研究，另外，对界面自由能及运动程度等的量化也很困难，因此，很难通过试验研究温度场和力场作用下摩擦过程中原子或分子的运动过程及对冶金结合过程进行表征。

[0004] 研究发现，可以采用分子动力学(MD)模拟的方法来直观观察金属冶金结合的过程，以更好的认识摩擦过程中金属冶金结合过程中原子或分子运动情况，同时还能得到传统试验手段无法得到的其他重要信息。利用MD研究在温度场和力场作用下摩擦过程中金属冶金结合情况及温度场和力场对金属冶金结合情况的影响，对判断金属配副是否可靠有重要的指导作用。

[0005] 例如，现有技术中有些学者采用加速分子动力学的方法研究对Mg/Zn界面原子扩散过程进行了模拟，研究发现，加速因子为5时所获得的扩散效果已经比较理想，可以获得相对完全的扩散层，扩散速度提高了约8个数量级，而且我们可以通过调节加速因子对加速的程度做精确的控制，通过设置加速因子可以实现对扩散过程的模拟速度的精确控制。还有学者采用分子动力学模拟研究了金刚石和Ti热压扩散的过程，研究发现，C和Ti原子之间存在明显的原子扩散现象，形成了具有一定厚度的扩散带。在金刚石与Ti的界面区域的原子扩散中，C原子的扩散能力和扩散速度大于Ti原子，并在扩散界面内生成了Ti‑C键，金刚石与Ti之间形成了化学结合。但是，对于金属在温度场和力场作用下冶金结合的分子动力学模拟，目前很少有这方面的研究。特别是针对复合温度场和力场条件下及复杂力场作用下冶金结合的过程以及机理的研究，还未见报道。

[0006] 目前，密度泛函理论(DFT)，Monte Carlo模型，元胞自动机模型和相场模型在内的微尺度和中尺度模拟已经成功地揭示了微观结构演化的本质。但是基于DFT电子结构计算的研究仅限于几百个原子，Monte Carlo模型、元胞自动机模型以及相场模型仅限于微尺度模拟。因此如果能够通过仿真模拟手段来观察金属配副在摩擦过程中是否发生冶金结合，能够进行金属配副机理研究提供理论指导和设计。

[0037] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 应注意的是，以上现有技术中的方案所存在的不足，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。

[0039] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0040] 经过上述深入分析后，本发明提供了一种基于分子动力学的温度场和力场作用下摩擦过程中金属冶金结合的模拟方法，以模拟温度场和力场对摩擦过程中金属冶金结合过程的影响，通过运用lammps内置的Noes‑Hoover恒温器、fix命令、velocity命令，实现了使用分子动力学对温度场和力场条件下摩擦过程中金属冶金结合研究的模拟。本发明采用在模拟过程中同时施加温度场和力场的模拟思路，可以更好地观测摩擦过程中金属冶金结合过程。

[0041] 如图1所示，本发明实施例所提供一种金属配副摩擦过程中金属冶金结合的模拟方法，包括如下步骤：

[0042] 步骤S1，建立基于分子动力学的三维金属模型100，如图2所示，所述三维金属模型100包括第一对偶件110和对应的第二对偶件120，其中第一对偶件110包括金属基体111和位于表面的金属涂层112，第一对偶件110的金属涂层112和第二对偶件120之间相对运动接触构成摩擦界面150，本实施例中金属基体111为Fe金属基体111，金属涂层112为Ag金属涂层112，第二对偶件120为Fe金属对偶件，图1中箭头为第一对偶件110和对应的第二对偶件
120的相对运动方向。

[0043] 需要说明的是，所述三维金属模型100可以采用lammps软件建立，也可以采用其他具有分子动力学属性的软件建立。

[0044] 步骤S2，基于所述三维金属模型100及金属种类，选择进行分子动力学模拟的势函数类型(力场类型)，本实施例中选择ADP势函数。

[0045] 需要说明的是，所述势函数不限于ADP势函数，还可以是选自EAM、A‑EAM、MEAM势函数中的一种或多种。力场类型是否合适决定分子动力学模型模拟结果的准确性。

[0046] 步骤S3，设置进行分子动力学模拟的系综以及边界条件。设置好系综以及边界条件，并设置弛豫时间，对三维金属模型100结构进行优化。

[0047] 本步骤中，所述系综采用等温等压(NPT)系综，温度由Nose‑Hoover恒温器控制，。所有模拟在x，y，z方向均采用周期性边界条件。设置三维金属模型100的弛豫时间为500ps，在弛豫完成后，可得到三维金属模型100最优结构。

[0048] 步骤S4，设置三维金属模型100的环境目标温度和等温保温时间，设置两个对偶件之间的正压力和相对运动速度。

[0049] 本步骤通过同时施加温度场和力场，模拟实际工况。所述力场施加过程，使用lammps中的fix命令来实现，为原子施加力场，通过设置垂直于摩擦界面150的力场大小来说设定两个对偶件之间的正压力；温度场由Nose恒温器进行控制，以达到模拟实际的效果；两个对偶件之间的正压力和相对运动速度通过速度场设置，所述速度场使用lammps中的velocity命令实现。所述力场可以是一个方向，也可以是多个方向。当存在多个力场时，所模拟的是复合力场，通过重复使用fix命令或者修改不同参数来实现。

[0050] 本实施例中，环境目标温度设置为950K(676.5摄氏度)，等温保温时间为1000ps(皮秒)，优化后的三维金属模型100中，目标温度下的保温时间内，使用fix命令沿优化后的三维金属模型100z轴方向施加大小为 的正压力， 为距离单位埃，z方向力大小恒定，以模拟摩擦界面150恒定正压力。相对运动速度设置为

[0051] 在保温时间内对金属模型施加至少一个方向的微观力场，通过施加微观力场达到施加模拟摩擦对偶件之间正压力实际工况的效果，模拟摩擦过程中金属模型在温度场和力场作用下冶金结合的过程。

[0052] 步骤S5，模拟在摩擦运动过程中，第一对偶件110上金属基体111和金属涂层112之间的冶金结合过程，对冶金结合过程中的冶金结合过程进行可视化观察，在某时刻，第一对偶件110和第二对偶件120在摩擦界面150处原子扩散图如图3所示；并实时第一对偶件中金属涂层112(Ag层)温度分布和第一对偶件中Ag层原子浓度分布，某一时刻，第一对偶件中Ag层112厚度方向温度分布和原子浓度分布如图4和图5所示，图4中横坐标为第一对偶件中金属涂层112中某点与图3中第二对偶件120顶部的距离(第二对偶件120厚度大约为 左右，横坐标 左右为金属涂层112中心处)，纵坐标为开尔文温度，距离图3中第二对偶件120顶部距离为 左右为摩擦界面150，可以看出，因为摩擦生热影响，金属涂层112最高温度能达到975K左右，说明摩擦过程中有温度升高，加速了冶金结合过程。图5中横坐标与图4相同，也是图3中距离第二对偶件120顶部的距离，纵坐标为Ag原子的浓度(单位摩尔每升)，可以看出Ag原子浓度有以金属涂层112上下两侧聚集趋势。本发明模拟了温度场和力场作用下金属冶金结合的过程，呈现金属原子基于分子动力学原理运动的过程。

[0053] 本实施例中，实时采集冶金结合过程中的所有数据，并根据数据通过ovito软件进行可视化展示，使用ovito软件将模型模拟过程信息输出之后，绘制摩擦界面150温度及原子浓度随时间的演化曲线。

[0054] 设置不同的正压力、相对运动速度，重复执行步骤S4、S5，可观察不同正压力、相对运动速度下，第一对偶件110上和金属涂层112和第二对偶件120之间的冶金结合过程。

[0055] 根据模型数据进行金属冶金结合过程可视化展示，对三维金属模型100的冶金结合过程进行可视化观察，研究温度场和力场对金属冶金结合的影响规律。

[0056] 本实施例基于分子动力学的温度场和力场作用下摩擦过程中金属冶金结合的模拟方法可以较准确的模拟金属冶金结合的过程。在同时施加温度场和力场的金属冶金结合过程中，温度场和力场同时从分子层面上对金属分子或原子的运动情况进行干预，本实施例的方法较准确的模拟了这一干预过程，并准确预测出在所施加温度场和力场下的金属分子或原子的运动情况，为金属冶金结合动力学及冶金结合实验提供了准确的理论指导及参考数据。

[0057] 由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的基于分子动力学的温度场和力场作用下摩擦过程中金属冶金结合的模拟方法，采用lammps软件，从原子尺度的分子动力学角度对金属配副在温度场和力场下的冶金结合过程进行了模拟，增加了使用lammps模拟金属冶金结合过程的新方法，同时也填补了模拟金属在温度场和力场作用下冶金结合的空白，更加真实地反应出温度场和力场条件下金属的冶金结合过程，对于不同温度场和力场，只需要改变命令参数即可，可以实现复杂温度场和力场的建模；加深了对冶金结合行为的认识，揭示了温度场和力场对金属冶金结合过程的影响规律，从微观尺度上提高对金属冶金结合行为的认识，对实际工况下金属是否发生冶金结合的判定具有指导作用。

[0058] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read‑Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

[0059] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。