LAMMPS镍薄层球形压入实操

这篇用一个720原子的Ni薄层说明球形压头怎样定义、底部怎样固定、反作用力从哪里读取，以及如何用OVITO观察局部结构。实际计算采用Foiles等人的Ni EAM势，按0.5、1.0、1.5 Å三个名义压入位置依次最小化。

这是小体系准静态操作示例。有限薄层与三个浅压入点用于理解流程，不能直接当作已收敛的纳米压痕硬度或宏观弹性模量。

1. 一条命令运行完整例子#

下载镍薄层压入实例包，在新目录执行：

python3 -m zipfile -e lammps-Ni-indent-wave530-*.zip lammps-Ni-indent
cd lammps-Ni-indent
bash run.sh

程序通过Slurm依次提交一个P100任务和一个V100 16G任务，每个任务申请一张卡与2个CPU核心。CPU参考路径也在第一个已分配的P100主机内运行，随后比较四种加速构建；不是在登录节点执行模拟。完整流程为：

1. 建立Ni薄层，固定底部，先在没有压头时松弛表面。
2. 固定压头位置，先后压入0.5、1.0、1.5 Å；每一层从上一层实际结构继续最小化。
3. 对同样的松弛坐标，运行P100和V100 16G的GPU、Kokkos势能与原子受力计算。
4. 用OVITO做自适应CNA，汇总CSV并绘制结构、载荷与精度对照图。

run.sh 自动准备 work 目录并等待两个作业完成，作业是否排队取决于当时资源。只查看随包实际结果，用 bash analyze.sh；重做完整流程时请使用新解压目录。

2. 薄层、边界与固定层#

初始结构为FCC Ni，常规胞重复6×6×5，共720原子。xy方向周期，z方向非周期，盒子高40 Å留有真空；底部z≤2 Å的144个原子固定，其余576个可以松弛。

先看完整实际输入与结构数据：

cat work/cpu-depth-1.0/in.lmp
head -n 20 reference/initial.data

输入中的 boundary p p f 对应这些边界；group fixed id ... 使用初始结构确定的固定原子编号，随后用 fix hold fixed setforce 0 0 0 保持不动。固定层采用同一批原子，而不是每压入一次都重新按当前位置改变固定成员。

原子间采用：

pair_style eam
pair_coeff * * Ni_u3.eam
neighbor 2 bin
neigh_modify every 1 delay 0 check yes

Ni_u3.eam 是LAMMPS随带的Ni势，原始文件头的作者、引用和单位一并保留在包中；不要把它随意换成其他元素势却继续沿用Ni模型解释结果。

3. 球形压头怎样定义#

球半径为6 Å，中心xy坐标为(10.56,10.56) Å。名义压入深度以无压头松弛后的最高原子位置为参考：

压头中心z = 松弛表面最高z + 球半径 − 名义压入深度

本次表面参考高度为15.83094752017833 Å，因此压入1.0 Å时，关键输入为：

fix ind all indent 10 sphere 10.56 10.56 20.83094752017833 6 units box
fix_modify ind energy yes
thermo_style custom step atoms pe f_ind f_ind[3] c_fm
min_style cg
min_modify dmax 0.05
minimize 0 0.0001 2000 20000

units metal 下，位置和半径为Å，力常数K=10的单位是 eV/ų。球面进入原子位置时才产生排斥，力的大小随重叠距离的平方增加。

fix_modify ind energy yes 要保留。 这里进行的是包含接触作用的势能最小化，需要把压头相互作用能一起加入目标能量。每次最小化中压头位置保持不动；不能一边最小化，一边把迭代步数当成真实MD时间去移动压头。

本例是逐位置松弛，没有温控器和真实加载时间，不据此给出加载速率、温度效应或动态压入结论。

4. 载荷、作用力和接触能从哪里看#

cat work/cpu-depth-1.0/properties.dat
cat tables/indent-load.csv

每个 properties.dat 从左到右为：总势能、压头接触能、作用在压头上的Fx/Fy/Fz、自由原子最大残余力。f_ind 是接触能，f_ind[1] 到 [3] 是原子作用在压头上的反作用力；与压头对原子的合力方向相反。

换算使用 1 eV/Å = 1.602176634 nN。接触能与Ni内部EAM能量是不同部分，总势能还包含薄层本身的能量，不能把总势能直接当作压头接触能。

图中三点来自实际依次松弛结果，连线帮助阅读，不代表连续加载曲线已经充分采样。更大的模型、更多深度、侧向尺寸、固定层厚度和势函数适用性都应按自己的目标检查。

5. 用OVITO看局部结构#

后处理脚本实际调用OVITO3.16.1的自适应Common Neighbor Analysis，对每帧720个原子分类。查看结果：

cat OVITO-CNA.csv
head cna-data/cpu-depth-1.5.csv

未加载时有576个FCC标签、144个Other标签，Other主要对应自由表面。压入1.5 Å后，本例得到563个FCC、153个Other与4个BCC局部标签。

CNA描述的是邻域几何。少数强应变原子被标为BCC，不能单独证明薄层已经发生整体FCC→BCC相变；应结合结构、应变和更充分的物理分析。需要在本地交互查看时，可把 work/cpu-depth-1.5/final.dump 下载后用OVITO打开。

6. 得到哪些文件#

head tables/accelerator-errors.csv
bash analyze.sh work

work/unloaded 是无压头松弛；work/cpu-depth-* 是三个实际逐位置松弛结果。final.data 可以继续计算，final.dump 保留坐标与受力，in.lmp 为完整实际输入。CSV和图片位于 tables、figures，每个目录的 native.log 保留原生日志。

软件为LAMMPS30Sep2026，GCC13.3.0、CUDA12.8、OpenMPI5.0.10工具链；Kokkos为5.2.1，采用双精度/C++20构建，GPU包为混合精度。四种构建的调用和结果含义见压入模型的GPU与Kokkos对照。

物理定义与选项见官方fix indent，势文件格式见EAM说明。