Searching for a Fundamental Understanding of the Melting Process of Aluminium and its Alloys in Classical Molecular Dynamics Simulations

Le travail présenté se focalise sur deux points principaux. Le premier consiste en la mise en place d’un protocole de simulation de dynamique moléculaire classique (MD en anglais) en utilisant la température de fusion (Tm) résultante comme point de référence sur la précision des simulations en raison de sa nature, qui est impactée par la simulation adéquate des propriétés thermodynamiques et des comportements dynamiques. Le second point d’intérêt de ces simulations de MD repose sur l’application de ces connaissances sur l’aluminium en raison de son applicabilité moderne dans la conception d’alliages et de son intérêt parmi notre groupe de recherche. Pour ce faire, le protocole proposé par ces objectifs visait à définir les valeurs des paramètres optimaux qui rentrent en jeu dans les simulations de LAMMPS (le logiciel libre de MD classique utilisé dans ces simulations). Un outil complet de prétraitement et post-traitement a été créé pour automatiser la majorité des tâches requises pour suivre les protocoles de simulations proposés. Ceci comprend la création de fichiers de soumissions, le lancement des simulations sur une machine locale ou sur un superordinateur utilisant un gestionnaire de charge de travail SLURM, ainsi que le posttraitement des résultats. Ce dernier inclut le triage et la lecture automatique des résultats de simulation, l’obtention de résultats secondaires à partir des données thermodynamiques des simulations et la création de figures riches pour analyser rapidement les résultats obtenus. Le protocole proposé, disponible à l’annexe A et résumé dans la figure 0.1, utilise trois méthodes de simulations qui visent à se rapprocher autant que possible d’un échantillon réel. Un des objectifs de ces méthodes de simulation était la détermination de l’impact de la manière de création d’un réseau atomique sur les résultats tirés, expliquant leur nature très distincte. Les essais ont été effectués sur plusieurs métaux et alliages avec une attention particulière sur l’alliage Al-10Zn en raison de son importance dans le domaine aérospatial dans la série 7xxx d’alliages d’aluminium. Tous les résultats présentés sont hautement dépendants sur le potentiel interatomique 2NN-MEAM utilisé, décrit dans ce travail.

Abstract

The presented work focused on two main points. The first point of interest was the development of appropriate simulation protocols in classical Molecular Dynamics (MD) with a focus on the melting temperature (Tm) as a benchmark on accuracy of simulations due to its nature, being impacted by the appropriate simulation of thermodynamic properties and dynamic behaviors. The second main point of these MD simulations were to apply the obtained knowledge to aluminum and its alloys due to its applicability in current alloy designs and our group’s interests in this metal. To do so, the entire workflow required by these objectives was studied to define the optimal parameters for every setting involved in LAMMPS simulations (the open source classical MD software package used in this work). A comprehensive pre-processing and post-processing tool was created to automate most tasks that need to be taken out to do any part of the proposed protocol in this work. This includes the creation of input files, the launching of simulations either from local computing ressources or on remote computing ressources using SLURM workload managers such as supercomputers, and the post-processing of results. This included the sorting and automated reading of simulation results, to complex post-processing to derive data from the thermodynamic data of simulations, to the automated generation of intricate figures to analyse results at a glance. The proposed protocol, available in annex A and summed up in figure 0.2, used three simulation methods that aim to have the simulated lattice behave closely to a bulk sample. One of the underlying goals in these methods was to quantify the impact of the creation of the lattice on the yielded results and were henceforth vastly different in nature. The tests were ran on multiple metals and alloys with a special attention to the Al-10Zn alloy thanks to its importance in the aerospace field in 7xxx series of aluminum alloys. All results are highly dependent on the 2NN-MEAM interatomic potential used, which is described in this work.