一种设计高弹性模量二元镁合金析出相的方法

摘要

本发明公开了一种设计高弹性模量二元镁合金析出相的方法，该方法首先通过USPEX软件利用进化算法得到体系中稳定及亚稳定析出相的组分、结构，并对其进行充分的结构优化，衡量其热力学稳定性；随后计算各析出相的弹性常数，判断其力学稳定性，并进一步计算各析出相的弹性模量，对比不同组分及构型析出相的弹性常数和弹性模量，筛选出高弹性模量析出相；本发明为高强韧镁合金的生产设计提供了理论方法，有效地缩短了研发周期和成本。

说明书

技术领域

本发明涉及航空结构或生物医用的材料技术领域，尤其涉及设计高弹性模量二元镁合金合金析出相的方法。

背景技术

镁合金是迄今为止工程材料中最轻的合金，并具有阻尼减震效果好、尺寸稳定性好、容易回收、安全无毒、生物相容性高等多种优点。目前，镁合金已经在航天航空、汽车工业、电子通信等很多领域取得了广泛的应用，并被赞誉为“21世纪绿色工程材料”，具有广阔的应用前景和重大的应用价值。

随着应用领域的迅速扩展，普通镁合金已经难以满足日益严苛的使用环境。作为结构材料，镁合金的发展和应用主要面临着以下几个问题：（1）绝对强度偏低；（2）高温力学性能较差；（3）耐腐蚀性不高；（4）不利于塑性加工；（5）生产成本偏高。

上述多种传统镁合金的缺陷中偏低的力学性能已经成为制约镁合金发展的头号障碍，是众多问题中最急需解决的一个。突破这一瓶颈，镁合金将会得获得更加广泛的应用，工业生产中的很多问题也会迎刃而解。所以无论从促进镁合金自身的发展还是振兴工业加速社会发展的角度对新型高强韧轻质镁合金的探索都具有十分重要且深远的现实意义。

析出相的力学性能对合金体系的力学性能有很大影响，近年来国内外学者对镁合金中的析出强化做了大量的研究。但目前关于镁合金析出相的研究主要集中在通过实验手段对合金中析出相的取向、形状等的调节，缺乏对镁合金中析出相本征力学性质的研究，系统的合金设计尚不够科学[CN201910072337.6, CN201710068077.6 ]。

如果在时效过程前对选定合金体系内的稳定/亚稳定的析出相的结构和力学性能有所了解，那么则可以通过对析出相晶体结构的有意调节来实现对合金的力学性能的控制。所以对于新型高强韧镁合金设计，从理论上对其析出相的组成、结构和力学性能的预测都具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种使用第一性原理高效设计具有较高弹性模量的二元镁合金析出相的方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种设计高弹性模量二元镁合金析出相的方法，包括以下步骤：

（1）稳定及亚稳定析出相组分及结构的预测：通过VESTA软件构建种子文件，使用USPEX软件进行变组分结构预测，并根据形成能筛选得到稳定及亚稳定析出相的组分及结构文件；

（2）模拟计算：

a. 采用Quantum Espresso软件将步骤（1）中得到的析出相结构模型进行充分的结构弛豫（vc-relax），生成各析出相基态稳定结构数据文件，作为下一步弹性常数计算的输入文件；

b. 将步骤（2）a中得到的析出相基态结构模型采用Quantum Espresso软件进行自洽计算（scf），利用应变能-应变方法，提取施加不同应变后的结构能量数据，计算各析出相的弹性常数C

（3）结果处理与分析：

a. 提取应变后体系的能量数据，借助绘图软件结合其对应的应变量，拟合得到各析出相体系的弹性常数矩阵C

b. 利用上一步骤中得到的弹性常数矩阵C

c. 利用Vogit-Ruess-Hill方法计算各析出相的体模量、剪切模量及杨氏模量；

d. 通过形成能以及弹性模量的综合筛选，得出稳定性高且具备高弹性模量的二元镁合金析出相。

本发明所述步骤（1）析出相组分及结构预测过程中，析出相原胞中可容纳的最大原子数设置为32，即USPEX输入文件INPUT中参数maxAt设置为32。

本发明所述步骤（2）采用能量应变法计算各析出相的弹性常数时，设置的应变量的绝对值＜0.01。

本发明所述步骤（1）析出相组分及结构预测的过程中搜索所有230种空间群。

本发明所述Quantum Espresso软件中，计算中的截断能取值为35 Ry，K点网格密度选取为7*7*7，展宽方法选取为gaussian，离子步极限设置为500。

本发明的优点在于：本发明首次提供了一种联合使用Quantum Espresso及USPEX软件预测二元镁合金体系中析出相组分及结构，并计算各析出相弹性性质，从而高效设计和构建具备高弹性模量二元镁合金析出相的方法，为新型镁合金的设计和开发提供了理论方法，为实验制备高弹性模量二元镁合金提供基础数据和备选方案。此外，本方法无需任何实验，具有速度快、成本低、无污染的特点，能够有效缩短材料的设计周期、降低开发成本，促进镁合金材料的快速发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1是具体研究的技术路线流程图。

图2是USPEX第一性原理进化算法预测Mg-Zn二元系稳定(压稳) 析出相的结果。

图3是Mg-Zn二元体系中析出相的体模量。

图4是Mg-Zn二元体系中析出相的剪切模量。

图5是Mg-Zn二元体系中析出相的杨氏模量。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例中所使用的工具主要是VESTA、USPEX、Quantum Espresso软件，其中主要的析出相组分及结构预测工具是USPEX软件，主要的计算工具是Quantum Espresso软件。

实施例1：

一种设计高弹性模量二元镁合金析出相的方法，以二元Mg-Zn合金为例，技术路线如图1所示，具体包括以下步骤：

（1）稳定及亚稳定析出相组分及结构的预测：

a.查阅Mg-Zn合金相图及相关实验文献，收集各析出相的空间群、晶格参数及坐标数据；

b. 利用相图中已明确存在的部分Mg-Zn二元析出相的结构作为种子文件，使用USPEX软件进行变组分结构预测，得到稳定及亚稳定析出相的组分及结构；如图2所示，我们预测到了二元稳定及亚稳定析出相Mg

（2）模拟计算：

a.采用Quantum Espresso软件将步骤(1) b中得到的析出相结构模型进行充分的结构弛豫（vc-relax），生成各析出相基态稳定结构数据文件，作为下一步热力学稳定性判定及弹性常数计算的输入文件；且在vc-relax过程中，.in文件中forc_conv_thr设置为1.00000e

b.将步骤（2）a中得到的析出相基态结构模型采用Quantum Espresso软件进行自洽计算（scf），利用应变能-应变方法计算各析出相的弹性常数，在计算过程中设置的应变量分别为0.0060，0.0040，0.0020，0.0000，-0.0020，-0.0040，-0.0060；

（3）结果处理与分析：

a.提取应变后体系的能量数据，借助绘图软件结合其对应的应变量，拟合得到各析出相体系的弹性常数矩阵；

b.将步骤（2）中得到的弹性常数矩阵，借助玻恩力学稳定性判据分析判断各析出相的力学稳定性，结果表明本实施例中预测到的所有二元Mg-Zn析出相均具有良好的力学稳定性；

c.利用Vogit-Ruess-Hill方法计算各析出相的体模量、剪切模量及杨氏模量（图3、图4、图5）；如图3所示，Mg-Zn体系中析出相的体模量随着Zn at. %的升高而逐渐增大，各析出相中Mg

d.通过形成能以及弹性模量的综合筛选，得出稳定性高且具备高弹性模量的Mg-Zn二元合金析出相；析出相Mg