基于第一性原理的镁合金设计

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1、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。《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。除了镁合金，还能干别的吗？目录第一性原理在镁合金中的应用二一个利用第一性原理逆袭的二本学生三第一性原理简介一第一性原理简介一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

2、式”设计的局限性成本以试错为主成功率低周期长成本高以模拟为指导的设计有限元Finiteelement相场Phasefield位错动力学Dislocationdynamics分子动力学Moleculardynamics第一性原理Firstprinciples成本以模拟为指导成功率高周期短成本低以模拟为指导的设计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”？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。来自上帝的“第一推动”第一性原理软件介绍免费Linux平台商用Lin

3、ux平台Windows平台商用Linux平台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）构思模型得到坐标文件建模软件POS=positionofatomsabcPOSCAR（原子坐标）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

4、空间采点）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)=x2INCARVASP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.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二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

5、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结构材料（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。2.1镁合金的强化理论剪切强度通常为GPa级临界分切应力（CRSS）通常为MPa级形核迁移强化阻碍迁移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C、铃木气团B、模量（剪切、体模量、弹性模量）虎克定律F=k•xA尺寸因素1、建模2、替换3、结构优化（释放

6、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。32个原子B模量虎克定律F=k•xk=x-1•FB模量人为设定VASP计算未知σ33σ32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…面心立方…ABCABCABC……ABABACBCBC……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。C+基于孪晶的“聂建峰”气团偏聚

7、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2.1.2第二相强化σ33σ32人为设定VASP计算未知Mg7Y2.1.2第二相强化读研吧！有海量的化合物等着你！B/G>2表示塑性较好2.1.2第二相强化Mg5Ga2MgGa0.42.0M