Molecular models of polycrystalline and porous materials

This paper is contribution to the special issue of the CMMS journal, devoted to modelling of the polycrystalline structures. Creation of the metallic polycrystalline and porous structures based on the molecular dynamics (MD) simulations are presented in this paper. The simple Morse potential, as well as, the more sophisticated Embedded Atom Method (EAM) are engaged to model atomic interactions. The presented methods of creation of the polycrystalline and porous molecular models are discussed and illustrated with proper numerical examples. The series of tensile tests and comparison of the mechanical properties between obtained polycrystalline structures is included, along with the description of the algorithm of the computation of the mechanical properties and the stress-strain relations. Additional tests are carried out with ideal Morse and EAM monocrystals in order to validate our molecular models and results. The simulations of creation polycrystalline and porous models are performed using the massively-parallel MD solver with NVT ensemble and tensile tests utilize so-called Non-Equilibrium Molecular Dynamics (NEMD).

---

Tematyka pracy dotyczy metod tworzenia oraz badania własności mechanicznych atomowych modeli materiałów polikrystalicznych oraz porowatych przy wykorzystaniu Dynamiki Molekularnej. Przedstawionych zostało kilka różnych technik otrzymywania w/w struktur, m. in. kontrolowane schładzanie układu atomów oraz modyfikacja zasięgu oddziaływań międzyatomowych (funkcji potencjału atomowego). Każda metoda zilustrowana została przykładami, omówiony został również wpływ wybranych parametrów na wyniki symulacji numerycznej. W dalszej części artykułu opisano sposób wyznaczania własności mechanicznych modeli molekularnych: wyznaczania składowych tensora mikronaprężenia, krzywych naprężenie-odkształcenie i modułu Younga. Utworzone przedstawionymi metodami, zrównoważone i stabilne modele atomowe mogą posłużyć jako materiał wejściowy - rozwiązania początkowe - do dalszych symulacji wykorzystujących dynamikę lub statykę molekularną.