秦勤等：热压316L/Q345R复合板的结合性能 ·471· 细节.本研究使用开源分子动力学程序 只考虑元素成分含量较大的Cr和Ni,其中Cr和Ni LAMMPS0进行分子动力学模拟，并使用开源可视 质量分数分别为16.03%和10.03%，各元素的原子 化工具(OVITO)可视化原子结构. 数比例为Fe:Cr:Ni=193:45:25.原始模型如图1 1.1模型建立 所示，上层为Q345R碳钢，下层为316L不锈钢. 本文通过研究不同影响因素对316L/Q345R复 Q345R为体心立方结构的纯Fe;316L不锈钢是在 合板界面结合性能的影响以寻求改善其界面结合性 面心立方y-FeB阅的基础上，将Cr和Ni原子分别 能的方法，主要过程就是进行316L不锈钢和Q345R 按既定原子比例随机取代Fe原子后得到的.模型 碳钢材料的热压复合，316L不锈钢和Q345R碳钢 总原子数为32384，其中Q345R模型中含Fe原子数 的成分如表1所示.两种材料所含的元素都比较 为16000（本文中Q345R以Fe表示）：316L不锈钢 多，导致其分子动力学模型十分复杂.为了简化其 模型中含16384个原子，其中Fe原子数为12115，Cr 模型，本研究选择忽略材料中的微量元素.其中 原子数为2626，Ni原子数为1643（本文中316L以 Q345R简化为不含其他元素的纯铁；316L不锈钢则 FesCr4sNis表示). 表1材料元素成分表（质量分数） Table 1 Material element composition table % 名称 C Fe Si Mn P Cr Ni Mo Q345R 0.170 98.079 0.27 1.40 0.011 0.007 0.023 0.02 <0.01 <0.01 SUS316L 0.017 70.259 0.42 1.26 0.031 0.003 16.030 10.03 1.95 固定层0.46m 步长为1fs,总运行时间为120ps.然后保持温度稳 定在1500K,在Z方向施加-0.003ps'(“-”代表 压缩)的应变率模拟压下过程，每施加一次应变，都 5.20nm 要进行充分弛豫.压缩结束后，在1500K温度下保 温弛豫.模拟期间，每隔一定时间便提取对应的应 力应变、热力学信息等数据 1.3模拟方法 分子动力学模拟是指以组成系统的微观粒子 5.16nm (分子/原子/离子)为研究对象，采用经典力学或量 子力学对体系所有的单个粒子的动力学方程进行求 固定层0.58m 解来求得粒子的微观运动规律，同时利用适当的统 计力学方法对系统大量微观状态进行统计来获得整 图1Fe/Fe Cras Nizs原始模型图（上层为Fe,下层为FeI9Cr5 个系统的宏观性质的方法B朗， Ni2s:●一Fe中Fe原子，●一fe1gCr4sNis中Fe原子，●一fe9g 分子动力学是一种确定性的方法，所以在模拟 Cr4sNi2s中Cr原子，●-Fe1gCr4sNis中Ni原子) Fig.1 Fe/Fe9 Cras Ni2s original model (The upper layer comprises 的时候首先必须要确定粒子之间的相互作用（势函 Fe,the lower layer comprises Feys:Cras Nis:O-Fe atom in the Fe 数)和外界条件（系综），然后对所给的牛顿运动方 layer,Fe atom in the Fe Cras Nias layer,Cr atom in the 程进行关于时间的迭代，达到指定的收敛条件后，可 Fe Cras Nizs layer,Ni atom in the Fe Cras Nizs layer) 以得到粒子的坐标、速度、加速度等信息，然后通过 1.2模拟过程 统计物理学原理可以得到该系统的静态特性和动态 模型中原子的初始速度的设定符合麦克斯韦分 特性2阁 布，在X、Y和Z三个方向上均选用周期性的边界条 本文使用G.Bonny等整理的嵌入原子势函数 件，模拟过程中运动方程数值求解选用Velert蛙跳 来描述Fe、Cr、Ni之间的相互作用.嵌入原子势 算法.在Fe oCrasNizs下表面和Fe的上表面分别 (embedded-atom method,EAM)己被广泛应用于描 固定三层原子.整个过程在等温等压系综(NPT)进 述金属材料和合金材料原子间的相互作用，其原理 行.首先在1500K温度下进行零压充分弛豫，让盒 是将原子体系的总能量表示成原子间的对势与嵌入 子内原子达到热力学平衡状态，整个模拟过程时间 原子能之和，即秦 勤等: 热压 316L/Q345Ｒ 复合板的结合性能 细 节． 本研究使用开源分子动力学程序 LAMMPS［31］进行分子动力学模拟，并使用开源可视 化工具( OVITO) ［32］可视化原子结构． 1. 1 模型建立 本文通过研究不同影响因素对 316L /Q345Ｒ 复 合板界面结合性能的影响以寻求改善其界面结合性 能的方法，主要过程就是进行316L 不锈钢和 Q345Ｒ 碳钢材料的热压复合，316L 不锈钢和 Q345Ｒ 碳钢 的成分如表 1 所示． 两种材料所含的元素都比较 多，导致其分子动力学模型十分复杂． 为了简化其 模型，本研究选择忽略材料中的微量元素． 其中 Q345Ｒ 简化为不含其他元素的纯铁; 316L 不锈钢则 只考虑元素成分含量较大的 Cr 和 Ni，其中 Cr 和 Ni 质量分数分别为 16. 03% 和 10. 03% ，各元素的原子 数比例为 Fe∶ Cr∶ Ni = 193∶ 45∶ 25． 原始模型如图 1 所示，上 层 为 Q345Ｒ 碳 钢，下 层 为 316L 不 锈 钢． Q345Ｒ 为体心立方结构的纯 Fe; 316L 不锈钢是在 面心立方 γ--Fe［33］的基础上，将 Cr 和 Ni 原子分别 按既定原子比例随机取代 Fe 原子后得到的． 模型 总原子数为 32384，其中 Q345Ｒ 模型中含 Fe 原子数 为 16000( 本文中 Q345Ｒ 以 Fe 表示) ; 316L 不锈钢 模型中含 16384 个原子，其中 Fe 原子数为 12115，Cr 原子数为 2626，Ni 原子数为 1643( 本文中 316L 以 Fe193Cr45Ni25表示) ． 表 1 材料元素成分表( 质量分数) Table 1 Material element composition table % 名 称 C Fe Si Mn P S Cr Ni Mo Al Q345Ｒ 0. 170 98. 079 0. 27 1. 40 0. 011 0. 007 0. 023 0. 02 ＜ 0. 01 ＜ 0. 01 SUS316L 0. 017 70. 259 0. 42 1. 26 0. 031 0. 003 16. 030 10. 03 1. 95 图 1 Fe /Fe193Cr45Ni25原始模型图( 上层为 Fe，下层为 Fe193 Cr45 Ni25 ; —Fe 中 Fe 原子， —Fe193 Cr45 Ni25 中 Fe 原子， —Fe193 Cr45Ni25中 Cr 原子， —Fe193Cr45Ni25中 Ni 原子) Fig． 1 Fe /Fe193Cr45Ni25 original model ( The upper layer comprises Fe，the lower layer comprises Fe193 Cr45 Ni25 ; —Fe atom in the Fe layer， —Fe atom in the Fe193 Cr45 Ni25 layer， —Cr atom in the Fe193Cr45Ni25 layer， —Ni atom in the Fe193Cr45Ni25 layer) 1. 2 模拟过程 模型中原子的初始速度的设定符合麦克斯韦分 布，在 X、Y 和 Z 三个方向上均选用周期性的边界条 件，模拟过程中运动方程数值求解选用 Velert 蛙跳 算法［34］． 在 Fe193Cr45Ni25下表面和 Fe 的上表面分别 固定三层原子． 整个过程在等温等压系综( NPT) 进 行． 首先在 1500 K 温度下进行零压充分弛豫，让盒 子内原子达到热力学平衡状态，整个模拟过程时间 步长为 1 fs，总运行时间为 120 ps． 然后保持温度稳 定在 1500 K，在 Z 方向施加 － 0. 003 ps － 1( “－ ”代表 压缩) 的应变率模拟压下过程，每施加一次应变，都 要进行充分弛豫． 压缩结束后，在 1500 K 温度下保 温弛豫． 模拟期间，每隔一定时间便提取对应的应 力应变、热力学信息等数据． 1. 3 模拟方法 分子动力学模拟是指以组成系统的微观粒子 ( 分子/原子/离子) 为研究对象，采用经典力学或量 子力学对体系所有的单个粒子的动力学方程进行求 解来求得粒子的微观运动规律，同时利用适当的统 计力学方法对系统大量微观状态进行统计来获得整 个系统的宏观性质的方法［35］． 分子动力学是一种确定性的方法，所以在模拟 的时候首先必须要确定粒子之间的相互作用( 势函 数) 和外界条件( 系综) ，然后对所给的牛顿运动方 程进行关于时间的迭代，达到指定的收敛条件后，可 以得到粒子的坐标、速度、加速度等信息，然后通过 统计物理学原理可以得到该系统的静态特性和动态 特性［26］． 本文使用 G． Bonny 等整理的嵌入原子势函数 来描述 Fe、Cr、Ni 之间的相互作用． 嵌 入 原 子 势 ( embedded-atom method，EAM) 已被广泛应用于描 述金属材料和合金材料原子间的相互作用，其原理 是将原子体系的总能量表示成原子间的对势与嵌入 原子能之和，即 · 174 ·