基于第一性原理的镁合金设计资料

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镁高压性质的第一原理研究

镁高压性质的第一原理研究

镁高压性质的第一原理研究周丽娟【摘要】本文采用第一原理密度泛函PBE方法研究了镁的相变压力及其在不同压力下的弹性性质.结果表明:镁由hcp相转变成bcc相的相变压力为50GPa,而由bcc相转变成fcc相的相变压力为475GPa,随着压力的增大,镁会发生结构相变;且随着压力的增加,hcp相结构的镁的弹性模量总体呈增加的趋势.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2018(037)030【总页数】4页(P166-169)【关键词】镁;高压;第一原理【作者】周丽娟【作者单位】长江大学工程技术学院,荆州434000【正文语种】中文【中图分类】TF8220 引言对于绝大多数固体材料而言,在化学成分一定的前提下,当外界条件(如温度、压力)发生改变时,材料的组织结构就会发生多种形式的转变。

铸造合金在极端的条件细化晶粒,改善合金组织,从而可提高合金的性能[1]。

固体材料的研究已经拓展到极端条件下(如高温、高压、高载荷)、超硬和超导等领域。

晶体材料的空间结构决定其性能,所以研究极端条件下晶体的结构具有重要的理论和实践意义。

1 计算方法与模型1.1 计算方法本文的计算方法是基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理赝势平面波方法,利用CASTEP[2,3]程序进行计算。

具体计算时波函数由平面波基组展开,交换关联能选取广义梯度近似GGA中PBE泛函形式,交换关联能的计算在最小化的快速Fourier变换(FFT)网格上进行,体系中原子核与内层电子对外层电子之间的相互作用采用超软赝势,自洽场运算时采用了Pulay[4]密度混合法,原子结构优化采用 Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)[5]算法。

优化的收敛标准为:能量的偏差小于1.0×10-5eV/atom,作用在每个原子上的力小于0.01eV/A°,最大应力偏差小于0.02 GPa,最大位移偏差小于0.001A°。

第一性原理在镁合金的应用

第一性原理在镁合金的应用

第一性原理在镁合金的应用1. 简介镁合金是一种具有轻质、高强度和良好的耐腐蚀性能的金属材料。

通过使用第一性原理计算方法,可以深入研究镁合金的微观结构、电子结构和力学性能等方面的特性。

本文将介绍第一性原理在镁合金应用中的一些关键领域。

2. 第一性原理计算方法第一性原理计算方法基于量子力学原理,通过求解薛定谔方程,可以获得材料的电子结构、能带结构、晶体结构等信息。

常用的第一性原理计算方法包括密度泛函理论(DFT)、平面波赝势方法等。

2.1 密度泛函理论(DFT)密度泛函理论是第一性原理计算方法中最常用的方法之一。

该方法通过引入一个有效的电子密度泛函,将系统的总能量表示为电子密度的泛函,进而求解系统的本征态和性质。

2.2 平面波赝势方法平面波赝势方法是一种常用的计算材料电子结构的方法。

该方法通过引入赝势来描述原子核和电子之间的相互作用,并使用平面波展开电子波函数。

这种方法可以大大简化计算过程,提高计算效率。

3. 第一性原理在镁合金中的应用3.1 镁合金晶体结构的预测使用第一性原理计算方法,可以预测镁合金的晶体结构,包括晶格常数、原子位置和晶胞形状等。

这些预测结果有助于设计和优化镁合金的微观结构,提高材料的力学性能和耐腐蚀性能。

3.2 镁合金的力学性能研究第一性原理计算方法可以计算镁合金的力学性能,包括弹性常数、塑性变形行为和断裂特性等。

通过模拟材料的应力应变关系,可以预测材料的力学性能,为材料设计和工程应用提供指导。

3.3 镁合金的电子结构分析镁合金的电子结构对材料的性能和应用具有重要影响。

使用第一性原理计算方法,可以计算镁合金的能带结构、电子密度分布和电子态密度等特性。

这些特性可以揭示材料的导电性、光学性质和磁性行为等。

3.4 镁合金的缺陷与缺陷行为研究第一性原理计算方法还可以研究镁合金的缺陷形成、缺陷行为和缺陷对材料性能的影响。

通过模拟和计算材料中的点缺陷、线缺陷和面缺陷等,可以预测材料的力学强度、断裂韧性和疲劳寿命等。

Mg17Al12合金储氢机理的第一性原理计算

Mg17Al12合金储氢机理的第一性原理计算

Mg 17Al 12合金储氢机理的 第一性原理计算 肖 潇二○一四 年 五 月 硕士学位 论 文 硕士肖潇Mg 17Al 12合金储氢机理的第一性原理计算 20142014分类号TG139+.7 密级公开UDC硕士学位论文Mg17Al12合金储氢机理的第一性原理计算肖潇学科专业凝聚态物理指导教师郭进教授论文答辩日期2014. 5. 17 学位授予日期答辩委员会主席欧阳义芳教授广西大学学位论文原创性和使用授权声明本人声明所呈交的论文,是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除已特别加以标注和致谢的地方外,论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的研究成果,也不包含本人或他人为获得广西大学或其它单位的学位而使用过的材料。

与我一同工作的同事对本论文的研究工作所做的贡献均已在论文中作了明确说明。

本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品,知识产权归属广西大学。

本人授权广西大学拥有学位论文的部分使用权,即:学校有权保存并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。

本学位论文属于:□保密,在年解密后适用授权。

□不保密。

(请在以上相应方框内打“√”)论文作者签名:日期:指导教师签名:日期:作者联系电话:电子邮箱:Mg17Al12合金储氢机理的第一性原理计算摘要本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了氢在Mg17Al12(001)表面的吸附、解离、扩散过程,以及第三元素替代掺杂对Mg17Al12合金性能的影响,以期揭示Mg17Al12合金的储氢机理,为Mg17Al12合金的实际应用提供一定的理论参考。

主要结论如下:1、研究了氢气分子在Mg17Al12(001)表面的吸附、解离过程。

讨论了氢气分子在Mg17Al12(001)表面吸附的12种结构。

mg-zn-mn合金中二元相的第一性原理计算

mg-zn-mn合金中二元相的第一性原理计算

mg-zn-mn合金中二元相的第一性原理计算MG-Zn-Mn合金是一种具有高强度和良好塑性的镁合金。

在过去的几十年中,对MG-Zn-Mn合金的研究取得了重要进展。

这种合金具有良好的耐蚀性和热稳定性,广泛应用于航空航天、汽车制造和电子设备等领域。

为了进一步了解MG-Zn-Mn合金中的二元相,我们可以使用第一性原理计算方法。

第一性原理计算是一种通过解决薛定谔方程来预测材料性质的方法。

它基于量子力学原理,采用电子的波函数、能量和电荷密度等基本物理量来描述材料的性质。

首先,我们需要选择合适的计算方法。

常用的第一性原理计算方法包括密度泛函理论(DFT)和电子结构的方法,如赝势法和平面波法。

在MG-Zn-Mn合金中,由于镁为主要金属元素,我们可以选择使用赝势平面波方法来计算该合金中的二元相。

接下来,我们需要构建MG-Zn-Mn合金的晶格模型。

MG-Zn-Mn合金通常采用固溶态结构,其中镁、锌和锰原子分布在晶格中的不同位置。

通过构建晶格模型,我们可以利用计算软件来确定不同原子的位置、晶格常数以及晶格的对称性。

然后,我们可以使用计算软件来对MG-Zn-Mn合金的电子结构进行计算。

通过解薛定谔方程,我们可以得到材料的能带结构、密度态和能量差等信息。

这些信息可以帮助我们理解MG-Zn-Mn合金中的二元相的形成机制和稳定性。

此外,我们还可以使用计算软件来预测MG-Zn-Mn合金的力学性质。

通过计算晶格弹性常数、物质的弹性模量、硬度和断裂韧性等指标,我们可以评估材料的力学性能。

这些性能参数可以用于设计和优化合金的制备和应用。

最后,我们可以利用第一性原理计算结果来解释实验观察到的材料性质。

通过将计算结果与实验数据进行比较,我们可以验证第一性原理计算的准确性,并进一步改进计算模型和方法。

总之,第一性原理计算是一种强大的工具,可以用于研究MG-Zn-Mn 合金中的二元相。

通过计算材料的电子结构和物性参数,我们可以深入了解合金的形成机制和性能,为其应用提供重要参考。

第一性原理研究氢吸附镁及镁钯合金薄膜表面性能

第一性原理研究氢吸附镁及镁钯合金薄膜表面性能

Ab t a t sr c
Fis- rn ilsc luain fa s r t n o y r g n ao o o h p r g 0 0 ) s ra e n r tp icpe ac lt so d o p i fh d o e t m n b t u e M ( 0 1 uf csa d o o
0 引 言
氢 能作 为一种新 型能源 , 具有无 污染 、 可再生等 优势 , 氢 在
能 源 的推 广 中十 分 重 要 的 一 环 是 开 发 安 全 高 效 的 储 氢 方 法 , 包
即当薄膜 材料厚度达到纳米量级时 , 能级劈裂 为一系列 子带 , 厚
度显 著调制费米能级附近的态密度 , 而调制 薄膜的物理特性 。 从
b fr y r g nao a s r t n aec lua e s h n tea s r t n e eg f y r g nao a s r e n M g 0 0 ) eo eh d o e tm d o p i r ac ltd ,t e h d op i n r yo d o e tm d o b d o ( 0 1 o o h

20 ・ 4
材 料 导报
20 0 8年 附镁 及 镁钯 合 金 薄膜 表 面性 能
李 梦 ,沈 岩 ,陈卫光 孙 强 瑜 , ,贾
( 郑 州大学物理工 程学 院 , 1 郑州 4 0 0 ; 郑州轻工业学院技术与物理系 , 50 1 2 郑州 4 0 5 ) 5 0 3 摘要 应用基于密度泛函理论的第一性原理方法 , 究 了不 同厚度的镁及镁钯 合金 自由薄膜 的表 面性能如表 研
进一步计算表明研究结果是可靠的 。
关 键 词 第一性原理 表面能 吸附能 调制

Mg-Al和Mg-Y合金的第一性原理计算及实验研究

Mg-Al和Mg-Y合金的第一性原理计算及实验研究

中文摘要摘要镁合金是工业应用中最轻质的金属结构材料,具有低密度和高比强度等突出优点,在多种领域中具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

由于镁合金的密排六方结构,室温条件下独立的滑移系少,塑性变形能力差,加工成形困难,故其应用受到极大限制。

室温条件下,既要保证镁合金的强度达到预期要求,又要使其塑性得到改善,是目前镁合金研究中最重要也是最急需解决的问题之一。

本文采用第一性原理计算、实验测试分析和粘塑性自洽模拟三种手段综合分析了合金元素Al和Y对镁合金力学性能及塑性变形机制的影响规律。

首先基于第一性原理方法,以广义层错能为基础,研究合金元素Al和Y对镁各滑移系临界剪切应力的影响规律,为实验研究提供指导。

其次,采用实验手段研究分析了合金元素Al和Y对镁合金的微观组织和室温力学性能的影响规律,可验证第一性原理的计算结果。

最后,使用粘塑性自洽模型对合金的塑性变形过程进行了拟合分析,与第一性原理计算结果共同分析讨论了合金元素对镁塑性变形机制的影响。

本文从微观和宏观层次研究合金元素对镁合金力学性能的影响机理,为高性能镁合金成分设计提供理论基础和依据,进一步为新型高性能镁合金材料的研发提供一定参考。

主要结果如下:①理论计算与实验结果均表明,尺寸较小的Al原子使镁的晶格常数减小,尺寸较大的Y原子使镁的晶格常数增大,但二者都能降低镁的c/a轴比,有利于晶格对称性的提高,有助于改善镁的塑性。

②对于基面和非基面滑移系,合金元素Al和Y均能使广义层错能降低,对提高材料的塑性具有积极贡献。

对于锥面{112̅2}<112̅3>滑移系,Al元素使稳定层错能与非稳定层错能的比值升高,则<c+a>位错趋向以全位错形式存在;Y元素使该比值降低,则<c+a>位错趋向分解为可动的不全位错,有利于塑性变形的进行。

③根据P-N模型,从各滑移系的广义层错能可推导得出相应的临界剪切应力。

合金元素Al和Y可降低镁基面与非基面的临界剪切应力,尤其是Y元素能显著降低柱面滑移系的临界剪切应力。

Al_Zn_Mn_Zr_Ca对Mg合金电子结构影响的第一性原理研究

Al_Zn_Mn_Zr_Ca对Mg合金电子结构影响的第一性原理研究

第 12期
超导技术 Superconductiv ity
# 39#
铒显著改善 M g- A l- Er合金的的抗蚀性。M ayum i Suzuki[ 10] 等研究了 Zn对 M g- Y 合金抗高温 蠕变的影响, Zn 的加入显著提高 M g - Y 合金的 蠕变强度, 并且发现在高温 状态下, 微量添加 0. 02m o %l 的 Zn 时 有 很多 面 缺 陷 产 生 在 基 体 的 ( 0001)面。
面与多条能带相交, 故 M g呈现出明显金属性、导 何优化处理。
电性。
表 1 结构优化结果
T ab. 1 R esult of optim ized geom etry
合金 结合能 元素 ( eV )
优化前晶格 参数 ( a, b, c)
优化后晶格 参数 ( a, b, c)
优化前晶格 参数 ( A, B, C)
图 1 合金掺杂模型 F ig. 1 A lloy e lem ents dop ing m ode l
的收敛精度为 0. 7895 @ 10- 8 eV, 原子平均受力不 大于 0. 001 eV / nm, 电子总能自洽用 Pu lay密度混 合算法 [ 12] 。并根据计算结果分析不同合金元素
a = 6. 42880= b M n - 1. 76
c= 10. 421
a= 6. b = 6. 15831 c= 9. 94172
a = 6. 42880= b Z r - 2. 11
c= 10. 421
a= 6. 34715 b = 6. 34716 c= 10. 5473
a = 6. 42880= b C a - 1. 68
F. R osa lb ino[ 9] 等对铒添加对 M g - A l合金的

第一性原理在镁合金研究中的应用现状

第一性原理在镁合金研究中的应用现状
[ 8]
原理总能赝势平面波方法对 M g的 晶 格 稳 定 性 进 行 了 计 算, 并与其他计算方法的结果进行了比较 , 发 现采用 第 一 性 原 理 所计 算 的 M G T E 外 推 结 果 一 致。 g的晶格稳定性结果与 S 、 笔者采 用 第 一 性 原 理 计 算 了 A Z 3 1镁合金中合金相 A l S r 4 / A l S r M S r和 M S r c a 值和原子位置 , g g 9 5、 2 1 7 2 等的晶格常数 、 / 其晶体 结 构 模 型 如 图 1 所 示 , 晶 格 常 数 和c a 值 见 表 1。 从 表 1 中可以看出 ,M S r的晶体学常数 a、 c 的计算值分别为 g 2 实验值为 6. 6. 5 4 、 1 0. 5 8 , 4 8 、 1 0. 4 6 ; M S r g 1 7 2 的晶体学 实验值为 常 数 a、 c的计算值分别为1 0. 5 8 、 1 0. 3 3 , 1 0. 5 4 、 1 0. 3 6 ; A l S r 的 晶 体 学 常 数 a、 c的计算值分别为 4 实验值为 4. 4. 4 6 、 1 1. 3 9 , 4 5 、 1 1. 0 5 ; A l S r 9 5 的晶体学 常数 a、 实验值为 5. c 的计算值分别为 5. 9 2 、 3 6. 2 1 , 8 8 、 3 5. 7 1 。 晶 体 学 常 数 a 和c 的 最 大 误 差 不 超 过 0. 6 7% 和 ; / 。 轴比 的最大误差不超过 计算的晶体学常 0. 7% ca 4. 9% 运用第一性 原 理 对 合 金 相 结 构 数和实验值吻合较好 。 目前 , 计算结果 与 实 验 结 果 吻 参数和构型进行计算已经相当成熟 , 合很好 , 已经得到了广泛应用 。 、 表 1 M S r M S r A l S r和 A l S r g g 2 1 7 2、 4 9 5 的平衡晶体学常数 T a b l e 1 E u i l i b r i u m l a t t i c e c o n s t a n t s o f i n t e r m e t a l l i c q , , c o m o u n d s M S r M S r A l S r a n d A l S r p g g 2 1 7 2 4 9 5 金属间 化合物 M S r g 2 M S r g 1 7 2 A l S r 4 A l S r 9 5 晶体学常数/ 实验值 本文计算值 / c a
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2.1.3 细晶强化
有没有一种可能性?
晶界对位错有一定的阻碍效果,起到强化的作 用。当应力集中到一定层度后,位错可以和晶 界反应。要么穿过晶界,要么转变为晶界位错。
商用
商用
VASP操作基础
主要输入文件 POSCAR, POTCAR, KPOINTS, INCAR 主要输出文件 OUTCAR, CHGCAR
酷爱汽车(CAR)的科学家
POSCAR(原子坐标)
POS = position of atoms
构思模型
建模软件
得到坐标文件
a b c
POSCAR(原子坐标)
以试错为主 成功率低 成本 周期长
成本高
以模拟为指导的设计
有限元 Finite element 相场 Phase field 位错动力学 Dislocation dynamics
分子动力学 Molecular dynamics 第一性原理 First principles
以模拟为指导的设计
以模拟为指导
《周易》有言,君子藏器于身,待时而动。如果 你要继续深造,第一性原理绝对是你科研路上值 得珍藏的利器。
目录

第一性原理简介

第一性原理在镁合金中的应用

一个利用第一性原理逆袭的二本学生

第一性原理简介
传统的材料设计方案----炒菜式
酸、甜、苦、辣……
强度、塑性、抗腐蚀性……
“炒菜式”设计的局限性
Mg2Ga5
MgGa2.5
1.77
合金设计思路: 1、熔炼不同Ga浓度的合金 2、用不同的工艺进行热处理 3、用X射线衍射的方式确定相的种类及含量 4、根据反馈调整热处理工艺,直到第二相以MgGa0.5 , MgGa1.0, MgGa2.0为主。
2.1.3 细晶强化
位错遇到晶界后,会被晶界阻碍而塞集,进而 产生细晶强化效应。随着位错的塞集,局部应 力会逐渐增加。增加到一定程度后,有可能在 相邻晶粒产生新的位错。也有可能产生裂纹。
成功率高 成本
成本低
周期短
第一性原理的定义 基于量子力学,直接求解薛定谔方 程的算法,叫做第一性原理。
埃尔温·薛定谔
为什么叫“第一性原理”?
来自上帝的 “第一推动”
基于量子力学的计算,能够计算出物质的结构和性质,这样 的理论很接近于宇宙和物质的本质,所以称为第一性原理。
第一性原理软件介绍
免费
Linux 平台 Linux 平台 Windows平台 Linux平台
K空间,也叫倒空间。 计算机的存储空间是有限的,所以必须以离散的方 式来解薛定谔方程。采点越密,函数越平滑,所需 空间也越大,计算速度也越慢。
f(x)=x2
INCAR
VASP可以计算各种各样的物理量。(力学, 热力学,光学……)。通过INCAR告诉 VASP我们需要哪种物理量。
简单回顾
四个输入文件 POSCAR, POTCAR, KPOINTS, INCAR.
基于第一性原理的 镁合金设计
材料与化学工程学院:豆雨辰 2015.11.04
“镁合金” Why?
国家镁合金材料 工程技术研究中心
除了镁合金,还能干别的吗?
第一性原理涉及的范围非常广泛,包括:化学反 应、扩散、半导体、光学性质、磁学性质等。总 体来说,只要你能将要研究的内容抽象为200个 原子以内的模型,第一性原理就能为你效劳。
模型 原子信息 K空间采点 控制
OUTCAR 和 CHGCAR
• • • • 记录模拟过程 晶格参数 应力 能量 • 电荷密度 CHG = Charge 用VESTA软件可、对 电荷密度进行可视化。

第一性原理在镁合金中的应用
镁合金简介
为了降低二氧化碳的排放,对交通工具减重的需 求越来越强烈。同时,为了配合可持续发展的战 略目标,需要寻求新型结构材料来替代传统构 材料(钢铁、铝合金)以减缓对它们的开采。在 这样的前题下,密度仅为钢铁材料1/4而且储量丰 富的镁合金受到人们广泛的关注。然而,由于镁 合金面临着塑性较低和强度较低的双重问题,以 致其使用量远不及钢铁和铝合金。
面心立方 …ABCABCABC… …ABCACABCA…
C 铃木气团
C+ 基于孪晶的“聂建峰”气 团
重庆大学教授 聂建峰
C+ 基于孪晶的“聂建峰”气 团
C+ 基于孪晶的“聂建峰”气 团
孪晶偏聚能 溶质原子偏聚到孪晶 界面,使得体系的能 量降低。大原子偏聚 与膨胀格点,小原子 偏聚于压缩格点。
周期性边界条件
第一性原理的计算量非常大。40个原子的体系, 需要8核心的电脑计算3天。所以模型中包含的 原子数量通常在100个以内。
POTCAR(原子质量、电子轨道)
POT = potential
每个元素有一个现成的POTCAR 选择不同的POTCAR可以实现对各种合金的模拟
KPOINT (K空间采点)
2.1.2 第二相强化
σ33 σ32
Mg7Y
未知
人为 设定
VASP 计算
2.1.2 第二相强化
B/G>2 表示塑性较好
读研吧!有海量的化合物等着你!
2.1.2 第二相强化
Mg5Ga2 Mg2Ga MgGa MgGa2 MgGa0.4 MgGa0.5 MgGa1.0 MgGa2.0 2.0 2.31 2.43 2.64
1、建模 2、替换
3、结构优化(释放应力)
4、OUTCAR中读取晶格参数 溶质原子数目不同,得到的晶格参数不同。
B 模量
虎克定律 F=k•x k=x-1•F
B 模量
σ33 σ32
未知
人为 设定
VASP 计算
准备读研了吗?成千上万种材料等着你!
C 铃木气团
溶质原子偏聚到层错,形成铃木气团
密排六方…ABABABABAB… …ABABACBCBC…
C+ 基于孪晶的“聂建峰”气 团
偏聚的前题是扩散
扩散激活能
C+ 基于孪晶的“聂建峰”气 团
孪晶偏聚强化设计图
2.1.2 第二相强化
第二相颗粒通常是金属间化合物,通常比较 硬,对位错有较强的阻碍作用。为了在提高 强度的同时,不损失塑性,我们希望这些颗 粒不要太脆。
从试验的角度,很难对第二相颗粒的塑性进行测试
2.1 镁合金的强化
形核
理论剪切强度 通常为GPa级
迁移
临界分切应力(CRSS) 通常为MPa级
2.1 镁合金的强化
2.1.1 固溶强化
2.1.2 第二相强化
2.1.3 细晶强化
2.1.1 固溶强化
A、尺寸效应
B、模量(剪切、 体模量、弹性模量)
虎克定律 F=k•x
C、铃木气团
A 尺寸因素
32个 原子
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