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LAMMPS實操系列(一): 大量FCC-CoCrCuFeNi高熵合金建模與最穩定結構篩選

來源：時間：2022-11-02 16:45:42 瀏覽：6882次

高熵合金（High-entropy alloys，HEA），是由五種或五種以上等量或大約等量金屬形成的合金。由于高熵合金可能具有許多優秀的物理化學性質，因此在材料科學領域受到廣泛關注。一般的合金中，金屬成分一般只有一到兩種，例如鐵基、鎳基合金，它們一般以鐵或鎳為基礎，再加入一些量的元素來提升其性能。以往的觀念中，若合金中加的金屬種類越多，會使其材質脆化，但高熵合金和以往的合金不同，有多種金屬卻不會脆化，是一種新的金屬材料。

本章我們將介紹利用LAMMPS結合bash腳本來批量建立具有格點原子無序的FCC-CoCrCuFeNi高熵合金，并進行結構優化并統計能量，得出能量最小結構的過程。

我們的建模過程是先建立10x10x10的FCC-Fe的超胞，然后按比例替換鐵原子，最后得到組份相等的高熵合金CoCrCuFeNi，由于高熵合金的格點原子構型是無序的，因此我們需要建立大量的模型，篩選出能量最小的一個。大量建模中需要注意以下幾個方面：

（1）我們建模過程中按比例替換Fe原子時，需要給定隨機數組，相同的隨機數組出來的構型是一樣的，因此我們每建立一個新的模型都會給一組和前面不同的隨機數。

（2）我們建成千上萬的模型不可能手動提交任務因此需要寫循環完成。

解決以上問題，我們運用了LAMMPS程序中的shell腳本，并結合LAMMPS的循環命令成功完成。我們的LAMMPS腳本如下：

units metal

boundary p p p

atom_style atomic

timestep 0.001

#構建模型

lattice fcc 3.56

region box block 0 10 0 10 0 10

create_box 5 box

label loop

variable a loop 1000

log log.$a

create_atoms 1 box

set type 1 type/ratio 2 0.2 12499

set type 1 type/ratio 3 0.5 12499

set type 1 type/ratio 4 0.5 12499

set type 3 type/ratio 5 0.5 12499

#設置原子質量

mass 1 55.8 #Fe

mass 2 58.7 #Ni

mass 3 52 #Cr

mass 4 59 #Co

mass 5 63 #Cu

#設置勢函數

pair_style eam/alloy

pair_coeff * * FeNiCrCoCu-with-ZBL.eam.alloy Fe Ni Cr Co Cu

#cg和sd交替進行能量最小化

min_style cg

minimize 1.0e-6 1.0e-7 10000 10000

run 0

min_style sd

minimize 1.0e-6 1.0e-7 10000 10000

run 0

min_style cg

minimize 1.0e-6 1.0e-7 10000 10000

run 0

write_data FeNiCrCoCu_$a.data

group ALL type 1 2 3 4 5

delete_atoms group ALL

#為建立新模型調用shell腳本更換隨機數

shell ./mseed.sh

next a

jump FeNiCrCoCu.in loop

通過運行該腳本，我們獲得了1000個模型如圖1所示。同時，通過共軛梯度和快速下降方法交替對每個模型進行優化，獲得其結構優化的能量。如圖2所示，我們通過排序得出了第620號模型的能量是最低的，因此我們選用620號模型作為我們下一步研究工作的模型。圖3為我們篩選出來的620號FCC-CoCrCuFeNi高熵合金模型。

圖1. 隨機建模生成的1000個FCC-CoCrCuFeNi高熵合金模型及其序號

圖2. 按能量大小排序后的各序號對應的FCC-CoCrCuFeNi高熵合金模型

圖3. 篩選出的620號FCC-CoCrCuFeNi高熵合金模型

本章，我們介紹了對于格點原子無序的FCC-CoCrCuFeNi高熵合金理論模擬中的建模思想，以及LAMMPS的程序實現，下一章我們將詳細解讀我們本章貼出的腳本，以及結果快速后處理的程序實現。

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