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。