本发明涉及一种无序固溶材料建模方法，该方法引入描述结构短程序状况的目标函数，所述目标函数基于化学短程序参数构建，避免了现有技术中特殊准随机结构方法的复杂性，能够生成满足多个化学短程序参数限制条件的无序固溶材料结构。
1.一种无序固溶材料建模方法，其特征在于：该方法引入描述结构短程序状况的目标函数，所述目标函数基于化学短程序参数构建，所述化学短程序参数基于：在无序固溶材料建模构型中，距离第一元素原子满足一预设的位置关系处的第二元素原子的比例，以及第二元素原子在整个构型中的比例而构建；
其中，所述化学短程序参数为αj(ep，eq)，满足式(1)或式(2)：其中，Pj(ep，eq)是对于所有元素符号为ep的原子的第j近邻原子中，元素符号为eq的原子的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例；
其中，P′j(ep，eq)是对于所有元素符号为ep的原子，从第1近邻到第j近邻的所有原子中，元素符号为eq的原子的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例；
或者，所述化学短程序参数为αr(ep，eq)，满足式(5)或式(6)：其中，Pr(ep，eq)是对于元素符号为ep的所有原子，在和这些原子距离为r的原子中，元素符号为eq的原子所占的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例；
其中，P′r(ep，eq)表示对于元素符号为ep的所有原子，在和这些原子距离小于r的所有原子中，元素符号为eq的原子所占的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例。
2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述化学短程序参数为αj(ep，eq)，并基于化学短程序参数与限制条件的差距： 构建所述目标函数；
其中， 表示在构型σ中的所述化学短程序参数αj(ep，eq)；
的所述化学短程序参数αj(ep，eq)的最小值和最大值。
3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于：所述目标函数为：或者，
在上述式(3)、(4)中， 表示构型σ中的所述化学短程序参数αj(ep，eq)，wj，p，q为可选的权重因子。
4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述化学短程序参数为αr(ep，eq)，并基于化学短程序参数与限制条件的差距： 构建所述目标函数；
其中， 表示构型σ中的所述化学短程序参数αr(ep，eq)；
的所述化学短程序参数αr(ep，eq)的最小值和最大值。
5.根据权利要求4所述的建模方法，其特征在于：所述目标函数为：或者，
在上述式(7)、(8)中， 表示构型σ中的所述化学短程序参数αr(ep，eq)，wj，p，q为可选的权重因子。
6.根据权利要求2-5中任一所述的建模方法，其特征在于：还包括对目标函数及化学短程序参数优化的步骤：步骤(1)：随机生成构型σ；
步骤(2)：针对与目标函数相关的所有化学短程序参数，计算构型σ下的该化学短程序参数的具体数值；
步骤(3)：如果所有的化学短程序参数值均大于等于预设的最小值，并小于等于预设的最大值，则终止对化学短程序参数的优化；否则，执行步骤(4)；
步骤(4)：随机交换构型σ中的两个元素符号ep和eq不相同的原子的坐标位置，获得一个新构型σ′；计算构型σ和构型σ′的目标函数ε(σ)和ε(σ′)；
步骤(5)：如果ε(σ′)＜ε(σ)，则以构型σ′为基础返回执行步骤(2)；否则，以构型σ为基础返回执行步骤(4)。
7.根据权利要求6所述的建模方法，其特征在于：对上述所有的化学短程序参数值均大于等于预设的最小值，并小于等于预设的最大值所对应的构型，进一步执行无序度参数的计算和优化；所述无序度参数的计算和优化基于SQS方法或者SAE方法，或者其他可以描述结构长程无序特征的方法。
一种具有化学短程序特征的无序固溶材料建模方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无序固溶材料建模，尤其涉及有化学短程序特征的无序固溶材料建模方法。
背景技术
[0002] 高性能合金材料是高端制造业强国战略的物质基础，也是高新技术发展的先导。随着材料使役条件愈发苛刻，对材料性能的要求也越来越高。高性能合金材料通常是添加多个元素共同合金化来实现。为降低合金化元素添加的盲目性和复杂性，合金成分设计对于研发高性能复杂合金材料至关重要，是实现新材料研发由经验指导实验的传统模式向理论预测、实验验证的新模式转变的关键环节。
[0003] 对于以固溶材料结构为基体的实用工程合金而言，其典型的局域结构特征就是溶质原子分布存在化学短程序。溶质元素尽管占据溶剂基体的晶格点阵位置，但从化学成分角度还不能确定溶质原子具体的占位，即存在化学长程无序；但由于溶质原子与基体存在不同程度的交互作用，因而存在偏离平均结构的化学短程有序分布.精密衍射实验证实，不同成分会产生不同的局域化学短程序，影响固溶材料合金的性能。
[0004] 在合金等无序固溶材料中，存在上述化学短程序。对于含有化学短程序的结构，目前常用的建模方案是使用特殊准随机结构方法，并引入Cowley化学短程序参数。然而现有的建模方式存在以下缺点：一是方法不直观，无法直接获得结构的化学短程序；二是无法处理有多种类型的化学短程序参数的结构。
发明内容
[0005] 针对上述问题，本发明提供一种含有化学短程序特征的无序固溶材料建模方法，其特征在于：该方法引入描述结构化学短程序状况的目标函数，所述目标函数基于化学短程序参数构建，所述化学短程序参数基于：在无序固溶材料建模构型中，距离第一元素原子满足一预设的位置关系处的第二元素原子的比例，以及第二元素原子在整个构型中的比例而构建。
[0006] 进一步的，所述化学短程序参数为αj(ep,eq)，满足式(1)或式(2)：
[0007]
[0008] 其中，Pj(ep,eq)是对于所有元素符号为ep的原子的第j近邻原子中，元素符号为eq的原子的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例；
[0009]
[0010] 其中，P′j(ep，eq)是对于所有元素符号为ep的原子，从第1近邻到第j近邻的所有原子中，元素符号为eq的原子的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例。
[0011] 进一步的，基于所述化学短程序参数与限制条件的差距：构建所述目标函数；
[0012] 其中， 表示在构型σ中的所述化学短程序参数αj(ep,eq)；
[0013] 其中， 和 分别为预设的所述化学短程序参数αj(ep,eq)的最小值和最大值。
[0014] 进一步的，所述目标函数为：
[0015]
[0016] 或者，
[0017]
[0018] 在上述式(3)、(4)中， 表示构型σ中的所述化学短程序参数αj(ep,eq)，wj,p,q为可选的权重因子。
[0019] 进一步的，所述化学短程序参数为αr(ep，eq)，满足式(5)或式(6)：
[0020]
[0021] 其中，Pr(ep,eq)是对于元素符号为ep的所有原子，在和这些原子距离为r的原子中，元素符号为eq的原子所占的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例；
[0022]
[0023] 其中，P′r(ep，eq)表示对于元素符号为ep的所有原子，在和这些原子距离小于r的所有原子中，元素符号为eq的原子所占的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例。
[0024] 进一步的，基于所述化学短程序参数与限制条件的差距：构建所述目标函数；
[0025] 其中， 表示构型σ中的所述化学短程序参数αr(ep，eq)；
[0026] 其中， 和 分别为预设的所述化学短程序参数αr(ep，eq)的最小值和最大值。
[0027] 进一步的，所述目标函数为：
[0028]
[0029] 或者，
[0030]
[0031] 在上述式(7)、(8)中， 表示构型σ中的所述化学短程序参数αr(ep，eq)，wj,p,q为可选的权重因子。
[0032] 进一步的，还包括对目标函数及化学短程序参数优化的步骤：
[0033] 步骤(1)：随机生成构型σ；
[0034] 步骤(2)：针对目标函数中每一个化学短程序参数，计算构型σ下的该化学短程序参数的具体数值；
[0035] 步骤(3)：如果对每一个化学短程序参数，构型σ的化学短程序参数均大于等于预设的该化学短程序参数最小值，并小于等于预设的该化学短程序参数的最大值，则终止对化学短程序参数的优化；否则，执行步骤(4)；
[0036] 步骤(4)：随机交换构型σ中的两个元素符号ep和eq不相同的原子的坐标位置，获得一个新构型σ'；计算构型σ和构型σ'的目标函数ε(σ)和ε(σ')；
[0037] 步骤(5)：如果ε(σ')<ε(σ)，则以构型σ'为基础返回执行步骤(2)；否则，以构型σ为基础返回执行步骤(4)。
[0038] 进一步的，对上述所有的化学短程序参数值均大于等于预设的最小值，并小于等于预设的最大值所对应的构型，进一步执行无序度参数的计算和优化；所述无序度参数的计算和优化基于SQS方法或者SAE方法，或者其他可以描述结构长程无序特征的方法；在无序度参数的优化过程中，检查结构的所有短程序参数，只有满足预设的限制条件的结构才能作为无序度参数优化的候选结构。最终，能够通过以上的优化方法得到在满足短程序参数限制条件的前提下无序度最高的材料结构。
[0039] 本发明的有益之处在于：
[0040] (1)本发明的建模方法，避免了现有技术中特殊准随机结构方法的复杂性，直接获得结构的化学短程序且易于实现。
[0041] (2)本发明的建模方法，能够生成满足多个化学短程序参数限制条件的无序固溶材料结构，高效实现对化学短程序参数和结构无序度的优化，获得同时具有满足化学短程序和长程无序的固溶材料结构。
附图说明
[0042] 图1为本发明在施加短程序参数限制条件下的无序度优化过程流程图
具体实施方式
[0043] 在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0044] 1、定义化学短程序参数
[0045] 本发明所使用的建模方案，基于特殊准随机结构(SQS)方法或者相似原子环境(SAE)方法或者其他描述结构长程无序度方法。在此方法的基础之上，引入了描述结构短程序状况的目标函数。该目标函数基于化学短程序参数，其典型代表为Cowley短程序参数。
[0046] 优选地，本发明的化学短程序参数基于：在无序固溶材料建模构型中，距离第一元素原子满足一预设的位置关系处的第二元素原子的比例，以及第二元素原子在整个构型中的比例而构建。
[0047] 规则a：根据第一元素原子的近邻原子位置关系中第二元素原子的比例，以及第二元素原子在整个构型中的比例而构建
[0048] 基于规则a构建的化学短程序参数可示例为αj(ep,eq)，满足式(1)或式(2)：
[0049]
[0050] 其中，Pj(ep,eq)是对于所有元素符号为ep的原子的第j近邻原子中，元素符号为eq的原子的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例；
[0051]
[0052] 其中，P′j(ep，eq)是对于所有元素符号为ep的原子，从第1近邻到第j近邻的所有原子中，元素符号为eq的原子的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例。
[0053] 在上式(1)、(2)中，如果αj(ep,eq)小于0，在ep元素周围的eq原子比例超过了eq原子在体系中的比例，ep和eq元素互相“吸引”；而如果αj(ep,eq)大于0,在ep元素周围的eq原子比例小于eq原子在体系中的比例，ep和eq元素互相“排斥”。
[0054] 规则b：根据第一元素原子的一定距离位置关系中第二元素原子的比例，以及第二元素原子在整个构型中的比例而构建
[0055] 基于规则b构建的化学短程序参数可示例为αr(ep，eq)，满足式(5)或式(6)：
[0056]
[0057] 其中，Pr(ep,eq)是对于元素符号为ep的所有原子，在和这些原子距离为r的原子中，元素符号为eq的原子所占的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例；
[0058]
[0059] 其中，P′r(ep，eq)表示对于元素符号为ep的所有原子，在和这些原子距离小于r的所有原子中，元素符号为eq的原子所占的比例，cq为整个构型中eq元素原子的比例。
[0060] 在上式(5)、(6)中，如果αr(ep，eq)小于0，在ep元素周围的eq原子比例超过了eq原子在体系中的比例，ep和eq元素互相“吸引”；而如果αr(ep，eq)大于0,在ep元素周围的eq原子比例小于eq原子在体系中的比例，ep和eq元素互相“排斥”。
[0061] 需要说明的是，上述规则a、b作为优选方式呈现但并不限于此，实际上基于“距离第一元素原子满足一预设的位置关系处的第二元素原子的比例，以及第二元素原子在整个构型中的比例”的其他常规变形和定义方式也能够满足本发明的化学短程序参数构建，同样应包含在本发明的保护范围之内
[0062] 2、目标函数的构建
[0063] 引入化学短程序参数，构建描述结构化学短程序的目标函数，该目标函数用来描述结构的短程序与限制条件的差距。
[0064] 对应于上述规则a，基于所述化学短程序参数与限制条件的差距：构建所述目标函数为：
[0065]
[0066] 或者，
[0067]
[0068] 在上述式(3)、(4)中， 表示构型σ中的所述化学短程序参数αj(ep,eq)，wj,p,q为可选的权重因子， 和分别为预设的所述化学短程序参数αj(ep,eq)的最小值和最大值。根据目标函数的形式，容易知道当目标函数为0时，每一个分项均为0，即
[0069] 需要说明的是，在SAE方法的实现中，在建模时可以提供一系列短程序参数。对任意一种化学短程序参数限制条件，给定短程序参数的目标值 由于建模时采用一个原子数目有限的超胞，不能保证所建模型的短程序参数与目标值严格一致，所以还要给短程序参数留出一定的余量，因此预先给定了短程序参数的上述最小值 和最大值
[0070] 此外，对应于上述规则b，基于所述化学短程序参数与限制条件的差距：构建所述目标函数为：
[0071]
[0072] 或者，
[0073]
[0074] 在上述式(7)、(8)中， 表示构型σ中的所述化学短程序参数αr(ep，eq)，wj,p,q为可选的权重因子， 和分别为预设的所述化学短程序参数αr(ep，eq)的最小值和最大值。根据目标函数的形式，容易知道当目标函数为0时，每一个分项均为0，即
[0075] 3、分阶段结构优化
[0076] 分阶段结构优化的方案，首先优化结构化学短程序目标函数，然后再优化无序度目标函数，优化过程中要求结构满足化学短程序的限制条件。
[0077] a.短程序目标函数的优化
[0078] 上述目标函数，可以通过Metropolis Monte Carlo方法进行优化，使得目标函数的值逐渐减小，直至接近于0。包括以下步骤：
[0079] 步骤(1)：随机生成构型σ；
[0080] 步骤(2)：针对目标函数中每一个化学短程序参数，计算构型σ下的该化学短程序参数的具体数值；
[0081] 步骤(3)：如果所有的化学短程序参数值均大于等于预设的最小值，并小于等于预设的最大值，则终止对化学短程序参数的优化；否则，执行步骤(4)；
[0082] 步骤(4)：随机交换构型σ中的两个元素符号ep和eq不相同的原子的坐标位置，获得一个新构型σ'；计算构型σ和构型σ'的目标函数ε(σ)和ε(σ')；
[0083] 步骤(5)：如果ε(σ')<ε(σ)，则以构型σ'为基础返回执行步骤(2)；否则，以构型σ为基础返回执行步骤(4)。
[0084] 当发现构型满足所有的短程序参数时，即可终止对短程序参数的优化。
[0085] b.无序度目标函数的优化
[0086] 随后，可以继续用特殊准随机结构(SQS)方法或者相似原子环境(SAE)方法，或者其他描述结构长程无序度的方法，进行对结构的无序度进行优化。参见图1，在对无序度进行优化的同时，将构型的短程序参数作为限制条件，当构型σ的短程序参数满足给定的限制条件时，才将构型σ作为无序度优化过程中的候选结构。对于满足短程序参数的结构，则进行无序度参数的计算，对无序度进行优化。
[0087] 通过上面的分阶段优化的策略，第一步对短程序目标函数进行优化，使结构满足短程序限制；第二步，在保持短程序限制的条件下，用SQS方法或者SAE方法或者其他方法对无序度进行优化。经过这两步优化，能够得到在满足短程序参数条件下最接近无序的固溶体结构。
[0088] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
