利用 PTA 框架研究金属慢应变率行为的分子动力学仿真平均化
材料科学
2026-05-27 v2
摘要
将分子动力学（MD）仿真应用于准静态加载严重受限于原子振动时间尺度与实验相关变形率之间的巨大分离。本文采用 Practical Time Averaging（PTA）框架来克服这一限制，使晶体固体在准静态加载条件下进行原子尺度仿真成为可能。PTA 利用内在的时间尺度分离，通过定义快动力学可观测量的时间平均值作为慢变量，以及其在慢加载时间尺度上的演化，从而避免对快动力学的显式积分。使用该方法，我们模拟了面心立方铝纳米晶体在应变率接近准静态条件下的单轴拉伸和压缩变形。我们将平均化动能、势能和加载方向上的正应力定义为慢变量，并在慢时间尺度上跟踪其演化。应力-应变曲线显示，屈服应力接近均匀核素应力，随后因位错核素、运动和从自由表面退出而引起一连串的应力跌幅和上升。从应力-应变响应和屈服应力随样品尺寸变化来看，“小而硬”效应显而易见。小样品的响应亚历山大更为显著。还研究了应变率和初始温度的影响。该方法还通过跟踪时间平均化原子位置来捕捉复杂位错微观结构在慢时间尺度上的演化。PTA 框架使得仿真应变率比传统 MD 可及范围低几个数量级，同时保持完整的原子分辨率，显著加快了计算时间。
引用
@article{arxiv.2603.07321,
title = {Averaging Molecular Dynamics simulations to study the slow-strain rate behavior of metals},
author = {Sarthok Kumar Baruah and Sabyasachi Chatterjee and Amit Acharya and Gerald J. Wang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2603.07321},
year = {2026}
}