基于第一性原理的镁合金设计资料

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。

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。

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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。

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。

镁基复杂氢化物作为转换反应型储锂材料的第一性原理设计随着环境的变化与化石燃料的消耗,当今社会对于绿色能源的需求越来越大。

能源问题引起了世界范围内专家学者的关注,寻找新的绿色能源已经成为当今世界的重要问题之一。

近年来,太阳能、风能等可再生能源的研究取得了快速的发展,而新能源从诞生到广泛应用往往需要一个漫长的周期。

在这个漫长的时期内,相应的先进能量存储技术显得尤为重要。

锂离子电池技术即是其中的代表之一。

发展至今,传统的嵌入式电极反应机制在一定程度上限制了储锂材料的进一步发展。

随着Oumellal等人实验首次发现MgH2等新型转换反应型锂离子电池储锂材料,具有更丰富化学键种类及潜在掺杂效应的复杂氢化物(相比简单氢化物而言)日益受到关注。

在本文中,基于第一性原理方法,我们首次针对镁基复杂氢化物作为转换反应型储锂材料进行了计算筛选及设计,在材料基因组新兴范式的背景下力图为该领域的实验研究者提供深入的指导和设计依据。

本文主要研究内容如下:(1)Mg2NiH4及其掺杂体系作为转换反应型储锂材料的第一性原理设计首先计算了不同掺杂元素(Li、Na、Al、Si、K、Ca、Ti、Mn、Fe、Co)分别在四个掺杂位点的形成能,根据形成能的大小来判定每种掺杂元素最适合的掺杂位点。

选取出每种元素最合适的掺杂体系,计算并比较这些体系的储锂电化学性能。

根据不同体系的电化学性能,选取出了四种金属元素作为最合适的掺杂剂,并对这四种掺杂体系进行了电子结构计算。

根据体系的电子结构和电化学性质,发现Li原子掺杂的Mg2NiH4体系是最优的掺杂体系。

Li原子掺杂的Mg2NiH4具有比初始体系更小的电子带隙,同时具有975.35mAh·g-1的比容量和0.437 V的半电压(锂作为参比电极)。

除此之外,还对纯Mg2NiH4以及Li原子掺杂的Mg2NiH4体系分别进行了基于第一性原理的分子动力学计算。

发现Li原子的掺杂可明显改善锂离子在电极材料中的扩散行为。

Er对镁合金固溶强化作用的第一性原理研究刘子利;王文静;刘希琴;刘洋;王渠东【摘要】采用虚拟晶胞近似方法控制固溶体中的Er含量,基于密度泛函理论的第一性原理赝势方法研究了Er对Mg-xEr(x=1 at.％～6 at.％)固溶体的固溶强化作用.计算结果表明:Mg-xEr(x=1 at.％～6 at.％)固溶体的体模量(B)随Er含量的增加而逐渐增大,当Er含量为4 at.％时体模量达到最高值,之后基本保持不变.剪切模量(G)和杨氏模量(E)随Er含量的增加而降低,当Er含量达到6％时,又略微增大.6种固溶体的G/B值均小于0.57,都是韧性材料.Er掺杂量为1 at.％～5 at.％的区间内,随Er 含量的增加,固溶体的G/B值明显降低,泊松比(v)增大,合金韧塑性提高;当Er含量继续增大到6 at.％,固溶体的G/B值有所升高,泊松比(v)减小,合金韧塑性下降.随着Er 含量的增加,态密度整体向低能级区域移动,费米能级低能级区域的成键电子数逐渐增多,同时底带宽度明显变宽,合金成键能力增强.在Er含量为1 at.％～2 at.％的区间内,受Er-4f电子影响总态密度图中出现了明显的赝能隙,费米能级在赝能隙高能侧,合金电子跃迁困难.当Er含量大于2 at.％时,赝能隙变得不明显,费米能级处的态密度值比较高,合金活性增强.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2016(048)004【总页数】6页(P577-582)【关键词】Mg-Er固溶体;第一性原理;固溶强化;态密度【作者】刘子利;王文静;刘希琴;刘洋;王渠东【作者单位】南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京,211106;上海交通大学材料科学与工程学院,上海,200240【正文语种】中文【中图分类】TG146.2作为目前工业应用中最轻的金属结构材料，镁合金的比强度和比刚度高，阻尼减震性和电磁屏蔽性能好，成为航空、航天、汽车及电信等领域产品实现轻量化的理想结构材料和世界各国研发的重点。

第一性原理计算合金化元素对镁合金弹性性能的影响S. Ganeshan, S.L. Shang, Y. Wang,Z.-K. Liu摘要：本文通过第一性原理的广义梯度近似法计算了不同合金元素的镁合金固溶体的晶格参数和弹性性能。

溶质元素分别为：Al,Ba,Ca,Cu,Ge,K,Li,Ni,Pb,Si,Y,Zn。

计算中使用了35个原子的超大晶胞模型和单溶质原子模型。

计算结果与实际实验数据吻合良好。

Mg-X合金的晶格参数与溶质原子尺寸有一定联系。

Mg-X合金的体积模量则与最近邻溶质原子距离有一定关系。

从元素周期表上看，S区和P区的元素添加对体积模量的降低效果比D区元素要强。

Mg-X合金的弹性模量也与所添加的合金种类有很大的关系。

同时，本文使用体积模量和剪切模量比简要地描述了合金元素添加对延伸率变化的影响。

各种合金弹性模量的线性回归系数则可用来预测实际情况中合金元素添加量对弹性模量的影响趋势的依据1、介绍：镁合金由于其比强度比刚度高，密度小，在许多领域，尤其是汽车和航空航天领域获得了广泛应用。

过去的十年中，镁合金应用数量惊人增长，因此我们需要更加了解合金元素对其性能的影响以维持这种高增长。

由于镁合金的固溶度不高，大部分镁合金都是二元或三元合金。

为了研究溶质元素对镁合金力学性能的影响，我们通过第一性原理计算预测了25种溶质元素对镁合金弹性模量的影响。

目前，本文基于镁合金工业生产重要性的排名，选择了X=Al，Ba，Ca，Cu，Ge，K，Li，Ni，Pb，Si，Y，Zn元素，对其杨是弹性模量，剪切模量，体积模量和晶格常数进行了计算。

同时，我们还采集了实际实验中Al，Li，Pb，Zn合金的数据和我们的计算值进行对比。

在第二章，我们详细阐述了密排六方Mg-X合金的计算细节和方法论。

在第三章，我们把计算结果和实际实验结果进行对比以求精确，同时提供了深入分析。

第四章则为总结。

2、计算方法：基于密度泛函理论的广义梯度近似法第一性原理计算使用的是Vienna Ab Initio Simulation Package（维也纳第一性原理模拟组件）。

学校代码*****学号************分类号O482 密级硕士学位论文稀土镁合金β'和β"以及6H LPS相的第一性原理研究学位申请人陈平指导教师唐壁玉教授学院名称材料与光电物理学院学科专业材料物理与化学研究方向计算材料学二○一○年五月First-principles Study of β'，β" and 6H LPS Phases in Mg-rare Earth AlloyCandidate Chen PingSupervisor Professor Tang Bi-yuCollege Faculty of Material and Photoelectronic PhysicsProgram Material Physics and ChemistrySpecialization Computational MaterialsDegree Master of EngineeringUniversity Xiangtan UniversityDate May, 2010湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：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。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要镁合金密度低、力学性能优异、电磁屏蔽能力强，在航空航天、交通运输、电子等领域具有重要的应用价值和应用前景。

计算材料热力学与镁合金设计
计算材料热力学与镁合金设计
李长荣，郭翠萍，杜振民
【摘要】摘要：计算材料学经过近30年的发展，已形成针对材料不同层次和尺度的理论模型，包括第一性原理计算、分子动力学、蒙特卡洛模拟、相场理论、CALPHAD技术及有限元分析等。

其中计算材料热力学在多层次跨尺度材料设计中占据重要的地位。

通过计算材料热力学获得的多元合金体系的相关系、相组成和相对量、相转变驱动力及其它热化学数据等基础性研究成果,将直接服务于相关材料的设计与研发。

简要介绍了计算材料热力学的发展历程及其基本原理，结合Mg基合金设计过程，基于建立的部分Mg合金体系的热力学数据库，从固溶强化、时效强化、析出强化、晶粒细化、非晶形成能力等方面，对Mg合金体系的热力学评估方法和研究现状进行了概述，并根据Mg合金热力学数据库中关于Mg-Zn-Zr/Ca体系的热力学特征函数，计算相平衡关系，示例分析了Mg-Zn合金中Zr和Ca的合金化作用。

【期刊名称】中国材料进展
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】11
【关键词】计算材料热力学；CALPHAD 技术；材料设计；Mg合金
1 前言
材料是人类文明发展和进步的里程碑。

长久以来，新材料特别是新型结构材料的研发,基本是沿用了尝试法(Trial and Error)的模式，也就是说，材料的经验设计在材料的研究与开发过程中起着重要作用。

通过获取大量不同材料成分和工艺参数的实验结果，总结材料结构、组织、性能方面的相互联系，从而探索到。