高性能材料研究：孪生变形仿真实验

一、前言

近年来，随着航空航天、汽车制造、电子器件等领域的快速发展，对高性能材料的需求日益增长，孪晶结构和孪生变形的研究成为了材料科学领域的热点之一。然而，由于孪晶结构的微观特征和变形行为的复杂性，传统的实验方法在研究和教学中面临微观结构观察难度大、实验成本高、周期长等诸多挑战。针对上述难点，北京象新力孪生变形行为及其机制虚拟仿真软件应运而生，通过先进的数值模拟技术和三维可视化手段，为学生提供一个高度仿真的实验平台，帮助学生更好地掌握孪晶结构与孪生变形的核心知识，提升教学效果。

二、软件介绍

该实验不仅包含了《材料科学基础》中孪生变形的相关现象、原理和机制，而且包含了《材料研究方法》中透射电子显微镜的原理、操作技术和分析方法，还涉及到分子动力学模拟技术模拟孪晶形成过程中原子运动规律、以及孪晶结构形成的影响因素如晶格参数和晶面取向等。旨在通过多课程相关专业知识的融合培养学生融会贯通的能力。

本软件分为三个部分：选取实验材料试样、分子动力学模拟、完成制样加工与检验流程。

三、产品特点

实验内容既包括大型先进设备操作实验，即等离子聚焦加工试样和高分辨电镜下原位变形实验，训练学生熟悉实验流程及操作；也包括微纳尺度单晶材料变形的分子动力学仿真计算，在晶体模型中对孪晶的原子结构进行表征。将虚拟实验和仿真计算结合起来，在原位加载场景中同步分析仿真计算结果，让学生得到从理论想象到实验观察、再到理论分析更各方面能力的全面提升，强化材料科学与工程专业学生对本专业最基础的孪晶知识点的理解，切实提高人才培养质量。

四、实验内容

1、选取实验材料试样

设置面心立方金属Cu、Ni、Al、CorCrNi及纳米孪晶铜五种试样，采用施密特定律计算各分位错和全位错的施密特因子，对比施密特因子的大小，从理论判断这些类型的晶体的变形方式。

2、分子动力学模拟

按照选定实验模式和参数条件，采用晶体建模Atomsk软件和可视化OVito软件，联合使用进行几何建模，并命名保存为仿真计算所用的几何模型文件；对lammps 分子动力学软件模拟材料变形过程的输入用in文件模板进行学习理解和参数修改后，连同选取的相应材料的原子势函数文件一起在lammps环境中进行仿真计算，验证在第一步实验的判断的准确性。并且在原子尺寸展示孪生变形的原子机制。

3、完成制样加工与检验流程

将试样安装在原位加载专用的压杆上，装入透射电镜内，选择和设定好实验模式和参数；进行透射电镜下纳米单晶材料的原位压缩实验，面心立方金属Cu、Ni、Al、CorCrNi及纳米孪晶铜呈现不同的变形机制，对这些金属变形前变形后的微观结构进行透射电子显微镜表征。

五、支撑课程

本虚拟仿真实验项目所属课程：《材料科学基础》、《金相技术与材料组织分析》、《材料性能》、《材料分析方法》。