一种金属配副摩擦过程中金属冶金结合的模拟方法与流程

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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供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，加深对实际工况下金属摩擦过程中冶金结合行为的认识，揭示温度场和力场对摩擦过程中金属冶金结合过程的作用规律。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

3、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：

4、建立基于分子动力学的三维金属模型，所述三维金属模型包括含有不同金属元素的第一对偶件、第二对偶件，第一对偶件、第二对偶件之间接触面为两者相对运动的摩擦界面；

5、基于所述三维金属模型及金属种类选择进行分子动力学模拟的势函数类型；

6、设置进行分子动力学模拟的系综以及边界条件进行系统驰豫，优化结构；

7、设置三维金属模型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；

8、模拟在摩擦运动过程中，第一对偶件和第二对偶件在摩擦界面处的冶金结合过程，对冶金结合过程中的冶金结合过程进行可视化观察，并实时记录第一对偶件中ag层沿厚度方向温度分布和第一对偶件中ag原子沿厚度方向浓度分布。

9、本发明能对三维金属模型的冶金结合过程进行可视化观察，并比较不同条件下的冶金结合程度，研究温度场和力场对摩擦过程中金属冶金结合过程的影响规律。

10、作为本发明的优选技术方案，所述第一对偶件包括金属基体和位于其表面的金属涂层，金属涂层的金属元素成份和对二对偶件不同。

11、作为本发明的优选技术方案，金属涂层的为减摩或耐磨金属涂层，包括单一金属涂层和合金涂层。

12、作为本发明的优选技术方案，所述金属基体包括银、铁、铜、铝、镁、镍、钴、钒及其合金。

13、所述金属涂层的为耐磨金属涂层，包括单一金属涂层和合金涂层，单一金属涂层包括银、铜、铝、镁、镍涂层，合金涂层包括银、铜、铝、镍基合金涂层。

14、作为本发明的优选技术方案，所述金属模型采用lammps软件建立。

15、作为本发明的优选技术方案，所述模拟过程力场类型，选自eam、a-eam、meam和adp势函数中的一种或多种。

16、作为本发明的优选技术方案，所述系综为等温等压系综，所述边界条件为周期性边界条件。

17、作为本发明的优选技术方案，所述温度场中，温度由nose-hoover恒温器控制。

18、作为本发明的优选技术方案，施通过lammps中的velocity命令设置两个对偶件之间的相对运动速度。

19、作为本发明的优选技术方案，所述施加力场(根据势函数类型具有对应的力场)，同时施加x、y、z中一个、两个或三个方向的力场。

20、作为本发明的优选技术方案，施加速度场的过程，使用lammps中的velocity命令实现。

21、冶金结合实质是界面间原子相互扩散，而紧固件等配副在实际工作中粘着磨损的出现正是因为配副之间出现了界面间原子相互扩散导致固相焊合从而发生了粘着磨损。摩擦过程宏观要素为环境温度、正压力、相对运动速度(摩擦频率)。施加温度场的目的是为了模拟高温或低温下的情况，施加力场的目的是为了模拟大接触应力或小接触应力下的情况，相对运动速度的添加是模拟不同频率下的情况，使整个模拟更接近摩擦过程。

22、本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：

23、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在温度场和力场下摩擦过程中的冶金结合过程进行了模拟，增加了使用lammps模拟摩擦过程中金属冶金结合的新方法，同时也填补了模拟金属在温度场和力场作用下摩擦过程中冶金结合的空白，更加真实地反应出温度场和力场条件下摩擦过程中金属冶金结合过程，对于不同温度、力和相对运动速度，只需要改变命令参数即可，可以模拟复杂场作用；加深了对冶金结合行为的认识，揭示温度场、力场和速度场对金属冶金结合过程的具体作用规律，对金属配副服役过程中可靠性的判定具有指导作用。

24、当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。