[發(fā)明專利]一種計(jì)算固溶體材料孿晶形成能力的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710562141.6
• 申請(qǐng)日: 2017-07-11
• 公開（公告）號(hào): CN107330215A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳江華;凡頭文;伍翠蘭;李子青;賴玉香;楊修波;張勇;明文全;牛鳳姣;鄭雄;沈若涵;邵秦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京國(guó)坤專利代理事務(wù)所(普通合伙)11491
• 代理人: 黃耀鈞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于孿晶技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種計(jì)算固溶體材料孿晶形成能力的方法。

背景技術(shù)

作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金在降低汽車和飛機(jī)重量方面前景廣闊，提高了燃料的效率，并且使其更加環(huán)保。然而，鎂合金較低的延展性和強(qiáng)度仍然限制了它的廣泛應(yīng)用。室溫下激活鎂合金的基面滑移所需要的應(yīng)力比它的棱柱面和錐面滑移面要低得多。一般來說，由于基面位錯(cuò)在障礙物前塞積導(dǎo)致的應(yīng)變集中而使得鎂合金在塑性變形的早期階段就發(fā)生斷裂。最近有報(bào)道稱，在室溫下，通過增加少量的稀土元素(RE)，鎂的延展性在很大程度上得到了改善。然而，與純鎂相比，這些鎂合金的強(qiáng)度并沒有增加。幸運(yùn)的是，先前的研究表明，通過加入一些特殊的溶質(zhì)原子可以使得鎂合金的強(qiáng)度達(dá)到600兆帕，并且延展性保持在一個(gè)可以利用的范圍。因此，可以想象，一定存在某種特殊的方法來獲得高強(qiáng)度的鎂合金，同時(shí)具有良好的延展性。添加少量的稀土元素(RE)對(duì)鎂合金的塑性變形模式的改進(jìn)主要是由于增加了另外的塑性變形模式，例如拉伸和壓縮孿晶，二次孿晶和錐面c+a滑移，這些都允許鎂合金在塑性變形時(shí)沿c軸方向上發(fā)生塑性變形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于應(yīng)力荷載作用下，附加的滑移模式主要異質(zhì)成核于一種叫I₁層錯(cuò)(SFs)的堆垛缺陷(堆垛次序?yàn)椤瑼BABCBCB…)。這種I₁層錯(cuò)是由于基平面上晶格空位在高溫下的集中而形成，在室溫下并通過的溶質(zhì)原子的作用穩(wěn)定下來。這個(gè)I₁層錯(cuò)是一個(gè)不動(dòng)層錯(cuò)，由一個(gè)六邊形的位錯(cuò)環(huán)包圍著，其伯格斯矢量沿著c軸。有趣的是，獲得的高強(qiáng)度的鎂合金也是由于基面層錯(cuò)造成的。高密度甚至是納米間隔寬堆積的層錯(cuò)使得位錯(cuò)均勻受阻于層錯(cuò)界面，并進(jìn)一步阻礙新產(chǎn)生的位錯(cuò)，進(jìn)而使得位錯(cuò)分布更加均勻，從而極大地提高了機(jī)械性能。這種納米基面層錯(cuò)缺陷強(qiáng)化機(jī)制與最近報(bào)道的納米尺度(111)孿晶界面強(qiáng)化的面心立方(fcc)金屬，如銅合金的機(jī)制非常類似，可以獲得力學(xué)性能更強(qiáng)的材料。在hcp金屬中，位錯(cuò)誘導(dǎo)的滑移和連續(xù)層錯(cuò)模型(文章中稱為基面孿晶)是一種相互競(jìng)爭(zhēng)的變形機(jī)制。很明顯，在基平面上的孿晶可以在鎂中引入更多的基面層錯(cuò)，而溶質(zhì)原子應(yīng)該扮演著重要的角色。如果添加某些使得基面孿晶形成能力的溶質(zhì)原子，可以使得鎂合金兼具高強(qiáng)度和高塑性。然后，對(duì)于此，實(shí)驗(yàn)方面卻鮮有報(bào)道。因此，闡明溶質(zhì)原子對(duì)基面層錯(cuò)的形成和增殖的影響是很重要的。由于在實(shí)驗(yàn)中很難準(zhǔn)確地確定堆層錯(cuò)能量(SFEs),需要更可靠的研究方法來計(jì)算在溶質(zhì)原子對(duì)鎂合金層錯(cuò)能的影響。在過去的幾十年里，第一原理計(jì)算被證明是許多研究領(lǐng)域的有力工具，包括材料的堆層錯(cuò)能。此外，自從廣義平面層錯(cuò)能(GPFE)在1970年代由Vitek提出以后,它至今已經(jīng)被廣泛用于預(yù)測(cè)fcc和hcp材料的孿晶形成能力。而廣義平面層錯(cuò)能只能由第一原理計(jì)算出來。最近，人們已經(jīng)開展了一些關(guān)于溶質(zhì)原子對(duì)金屬材料的廣義層錯(cuò)能的影響的理論研究。但其計(jì)算方法則主要是通過在晶胞滑移面上替換一個(gè)鎂原子直接計(jì)算廣義平面層錯(cuò)能來獲得的；通過改變晶胞包含原子數(shù)目的多少來確定溶質(zhì)原子的濃度。這樣，即使在滑移面上溶質(zhì)原子濃度相同的情況下，得出孿晶形成能力隨晶胞大小的變化而不變的定律。顯然這是不符合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的。另一方面，不管采用何種晶胞，其滑移面上的濃度(6at.％～25at.％)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際濃度,會(huì)明顯高估溶質(zhì)原子的影響。基于此，有必要進(jìn)一步澄清溶質(zhì)原子濃度對(duì)鎂合金基面孿晶形成能力的影響。最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溶質(zhì)濃度對(duì)金屬的孿晶形成能力有重要作用。Kibey等通過第一原理計(jì)算對(duì)銅合金的廣義平面層錯(cuò)能GPFE和孿晶形成能力的研究，得出了鋁的濃度對(duì)銅合金的大致影響規(guī)律，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較吻合。然而，到目前為止還很少有關(guān)于溶質(zhì)濃度對(duì)金屬孿晶形成能力影響的理論研究。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：直接用超晶胞方法計(jì)算得到的固溶體廣義平面層錯(cuò)能GPFE，不能精確計(jì)算溶質(zhì)原子對(duì)固溶體孿晶形成能力的影響。主要的難度是按照當(dāng)前世界的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和運(yùn)算速度條件，用超晶胞方法計(jì)算時(shí)由于晶胞較小，計(jì)算固溶體廣義平面層錯(cuò)能GPFE時(shí)，溶質(zhì)原子在晶胞內(nèi)的分布情況無法準(zhǔn)確描述。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種計(jì)算固溶體材料孿晶形成能力的方法。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種計(jì)算固溶體材料孿晶形成能力的方法，所述計(jì)算固溶體材料孿晶形成能力的方法包括以下步驟：

步驟一，計(jì)算溶質(zhì)原子與廣義平面層錯(cuò)之間的相互作用；

步驟二，采用均勻分布模型計(jì)算鎂固溶體中各種濃度的溶質(zhì)原子對(duì)廣義平面層錯(cuò)能的影響；