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LAMMPS实操系列(一): 大量FCC-CoCrCuFeNi高熵合金建模与最稳定结构筛选

来源：时间：2022-11-02 16:45:42 浏览：2107次

高熵合金（High-entropy alloys，HEA），是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。由于高熵合金可能具有许多优秀的物理化学性质，因此在材料科学领域受到广泛关注。一般的合金中，金属成分一般只有一到两种，例如铁基、镍基合金，它们一般以铁或镍为基础，再加入一些量的元素来提升其性能。以往的观念中，若合金中加的金属种类越多，会使其材质脆化，但高熵合金和以往的合金不同，有多种金属却不会脆化，是一种新的金属材料。

本章我们将介绍利用LAMMPS结合bash脚本来批量建立具有格点原子无序的FCC-CoCrCuFeNi高熵合金，并进行结构优化并统计能量，得出能量最小结构的过程。

我们的建模过程是先建立10x10x10的FCC-Fe的超胞，然后按比例替换铁原子，最后得到组份相等的高熵合金CoCrCuFeNi，由于高熵合金的格点原子构型是无序的，因此我们需要建立大量的模型，筛选出能量最小的一个。大量建模中需要注意以下几个方面：

（1）我们建模过程中按比例替换Fe原子时，需要给定随机数组，相同的随机数组出来的构型是一样的，因此我们每建立一个新的模型都会给一组和前面不同的随机数。

（2）我们建成千上万的模型不可能手动提交任务因此需要写循环完成。

解决以上问题，我们运用了LAMMPS程序中的shell脚本，并结合LAMMPS的循环命令成功完成。我们的LAMMPS脚本如下：

units metal

boundary p p p

atom_style atomic

timestep 0.001

#构建模型

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

#设置原子质量

mass 1 55.8 #Fe

mass 2 58.7 #Ni

mass 3 52 #Cr

mass 4 59 #Co

mass 5 63 #Cu

#设置势函数

pair_style eam/alloy

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

#cg和sd交替进行能量最小化

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

#为建立新模型调用shell脚本更换随机数

shell ./mseed.sh

next a

jump FeNiCrCoCu.in loop

通过运行该脚本，我们获得了1000个模型如图1所示。同时，通过共轭梯度和快速下降方法交替对每个模型进行优化，获得其结构优化的能量。如图2所示，我们通过排序得出了第620号模型的能量是最低的，因此我们选用620号模型作为我们下一步研究工作的模型。图3为我们筛选出来的620号FCC-CoCrCuFeNi高熵合金模型。

图1. 随机建模生成的1000个FCC-CoCrCuFeNi高熵合金模型及其序号

图2. 按能量大小排序后的各序号对应的FCC-CoCrCuFeNi高熵合金模型

图3. 筛选出的620号FCC-CoCrCuFeNi高熵合金模型

本章，我们介绍了对于格点原子无序的FCC-CoCrCuFeNi高熵合金理论模拟中的建模思想，以及LAMMPS的程序实现，下一章我们将详细解读我们本章贴出的脚本，以及结果快速后处理的程序实现。

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