添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法及其应用技术

技术编号:28945341 阅读:17 留言:0更新日期:2021-06-18 21:57
本发明专利技术涉及金属材料技术领域,具体涉及合金中添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法及其应用。预测方法包括:分别构建金属基体、二元固溶体、三元固溶体晶体模型以及基体元素、目标元素、添加元素的单原子模型,三元固溶体选自目标元素和添加元素第一配位层无共享原子的晶胞;通过第一性原理计算的结构优化和静态自洽,获取以上模型的晶胞体积与内聚能以及第一配位层内体积与嵌入能,观察添加元素导致金属基固溶体由二元扩展至三元过程中的数值演变趋势;依据数值演变趋势,引入三元固溶体的差分电子密度,为添加元素对目标元素固溶度的调控作用实现有效预测。本发明专利技术通过理论计算为新型合金的开发提供元素设计依据,降低合金设计盲目性。

【技术实现步骤摘要】
添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法及其应用
本专利技术涉及金属材料
,具体涉及合金中添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法及其应用。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。随着3C电子设备、车辆等领域的产业发展,金属材料的应用需求日益广泛。然而,现有成熟的合金牌号已难以满足应用的性能要求,因此迫切需要开展新型合金的设计开发工作。固溶强化是改善合金力学性能的主要思路之一,在此思路下开展的合金设计以合金元素的固溶度为核心参数。对于二元合金,合金元素的固溶度可以根据Hume-Rothery规则及其衍生方法进行直接预测。专利技术人研究发现,当合金由二元扩展至多元后,添加元素会改变原二元合金中合金元素的固溶度,而固溶度的改变又将影响合金的固溶强化效果。因此,如何从调控目标元素固溶度的角度来确定多元合金中的添加元素,对于新型合金的设计具有重要意义。而且由于目前尚缺乏预测添加元素对目标元素固溶度调控作用的理论,该方面的合金设计工作只能通过传统的实验“试错法”开展,耗费较多的时间与资源。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题,本专利技术提出一种合金中添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法,通过第一性原理计算,获得合金中固溶体相的结构与能量参数,并结合电子密度,准确高效地预测出添加元素对目标元素固溶度的调控作用。具体地,本专利技术是通过如下所述的技术方案实现的:本专利技术第一方面,提供一种添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法,包括:分别构建金属基体、二元固溶体、三元固溶体晶体模型以及基体元素、目标元素、添加元素的单原子模型;通过第一性原理计算的结构优化和静态自洽,获取金属基体、二元固溶体、三元固溶体的晶胞体积与内聚能以及第一配位层内体积与嵌入能,三元固溶体选自目标元素和添加元素第一配位层无共享原子的晶胞,分析添加元素导致固溶体由二元扩展至三元过程中的数值演变趋势。依据固溶体的数值演变趋势,通过第一性原理计算的结构优化和静态自洽、非自洽,获取三元固溶体的差分电子密度,三元固溶体选自目标元素和添加元素互为最近邻原子的晶胞,分析价电子的分布状态。本专利技术第二方面,提供一种添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法在合金设计领域中的应用。本专利技术第三方面,提供一种可定向调控目标元素固溶度的合金设计方法,包括:添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法。本专利技术一个或多个实施例具有以下有益效果:1)通过理论计算预测添加元素对目标元素固溶度的调控作用,为新型合金的开发提供元素设计依据,降低合金设计的盲目性,节约合金研发成本,提高研发效率。2)研究发现本申请预测方法对于预测Mg合金中添加元素对目标元素固溶度调控作用,具有更准确的预测效果。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解,本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术,并不构成对本专利技术的不当限定。以下,结合附图来详细说明本专利技术的实施方案,其中:图1为本专利技术实施例1预测合金中添加元素对目标元素固溶度调控作用的流程图;图2为本专利技术实施例2的Mg基体晶体模型;图3为本专利技术实施例2的二元Mg-Zn固溶体晶体模型;图4为本专利技术实施例2的三元Mg-Zn-X固溶体晶体模型(X=Ca、Y、Sn,Zn与X第一配位层无共享原子);图5为本专利技术实施例2的Mg基体、二元Mg-Zn固溶体、三元Mg-Zn-X固溶体(X=Ca、Y、Sn)晶胞体积;图6为本专利技术实施例2的Mg基体、二元Mg-Zn固溶体、三元Mg-Zn-X固溶体(X=Ca、Y、Sn)内聚能;图7为本专利技术实施例2的Mg基体、二元Mg-Zn固溶体、三元Mg-Zn-X固溶体(X=Ca、Y、Sn)中第一配位层内体积;图8为本专利技术实施例2的Mg基体、二元Mg-Zn固溶体、三元Mg-Zn-X固溶体(X=Ca、Y、Sn)中第一配位层嵌入能;图9为本专利技术实施例2的三元Mg-Zn-Ca固溶体(Zn与Ca互为最近邻)中的差分电子密度;图10为本专利技术实施例2的三元Mg-Zn-Y固溶体(Zn与Y互为最近邻)中的差分电子密度。具体实施方式下面结合具体实施例,进一步阐述本专利技术。应理解,这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。对于二元合金,合金元素的固溶度可以根据Hume-Rothery规则及其衍生方法进行直接预测。当合金由二元扩展至多元后,添加元素会改变原二元合金中合金元素的固溶度,而固溶度的改变又将影响合金的固溶强化效果。因此,如何从调控目标元素固溶度的角度来确定多元合金中的添加元素,对于新型合金的设计具有重要意义。为此,本专利技术提出一种添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法,通过第一性原理计算,获得合金中固溶体相的结构与能量参数,并结合电子密度,准确高效地预测出合金中添加元素对目标元素固溶度调控作用。具体地,本专利技术是通过如下所述的技术方案实现的:本专利技术第一方面,提供一种添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法,包括:分别构建金属基体、二元固溶体、三元固溶体晶体模型以及基体元素、目标元素、添加元素的单原子模型;通过第一性原理计算的结构优化和静态自洽,获取以上模型的晶胞体积与内聚能以及第一配位层内体积与嵌入能,三元固溶体选自目标元素和添加元素第一配位层无共享原子的晶胞,分析添加元素导致固溶体由二元扩展至三元过程中的数值演变趋势。在本专利技术一个或多个实施例中,若添加元素未导致原二元固溶体中的参数数值向金属基体转变,预测为添加元素具有降低目标元素在金属基体中固溶度的作用;若添加元素导致原二元固溶体中的参数数值向金属基体转变,则通过第一性原理计算的结构优化和静态自洽、非自洽,获取三元固溶体中的差分电子密度,三元固溶体选自目标元素和添加元素互为最近邻原子的晶胞,分析价电子的分布状态。优选地,若差分电子密度中目标元素和添加元素之间未发生价电子的聚集,预测为添加元素具有提高目标元素在金属基体中固溶度的作用;若发生了价电子的聚集,则预测为添加元素具有降低目标元素在金属基体中固溶度的作用。在本专利技术一个或多个实施例中,所述金属基体晶体模型为根据实验测定的空间群、晶格参数及原子坐标所构建的纯金属元胞,并将其扩展为超胞,各基矢方向上的扩展系数需大于等于3;优选地,所述二元固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法,其特征在于,包括:/n分别构建金属基体、二元固溶体、三元固溶体晶体模型以及基体元素、目标元素、添加元素的单原子模型;/n通过第一性原理计算的结构优化和静态自洽,获取以上模型的晶胞体积与内聚能以及第一配位层内体积与嵌入能,三元固溶体选自目标元素和添加元素第一配位层无共享原子的晶胞,分析添加元素导致固溶体由二元扩展至三元过程中的数值演变趋势。/n

【技术特征摘要】
1.添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法,其特征在于,包括:
分别构建金属基体、二元固溶体、三元固溶体晶体模型以及基体元素、目标元素、添加元素的单原子模型;
通过第一性原理计算的结构优化和静态自洽,获取以上模型的晶胞体积与内聚能以及第一配位层内体积与嵌入能,三元固溶体选自目标元素和添加元素第一配位层无共享原子的晶胞,分析添加元素导致固溶体由二元扩展至三元过程中的数值演变趋势。


2.根据权利要求1所述的添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法,其特征在于,若添加元素未导致原二元固溶体中的参数数值向金属基体转变,预测为添加元素具有降低目标元素在基体中固溶度的作用;若添加元素导致原二元固溶体中的参数数值向金属基体转变,则通过第一性原理计算的结构优化和静态自洽、非自洽,获取三元固溶体中的差分电子密度,三元固溶体选自目标元素和添加元素互为最近邻原子的晶胞,分析价电子的分布状态;
优选地,若差分电子密度中目标元素和添加元素之间未发生价电子的聚集,预测为添加元素具有提高目标元素在金属基体中固溶度的作用;若发生了价电子的聚集,则预测为添加元素具有降低目标元素在金属基体中固溶度的作用。


3.根据权利要求1所述的添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法,其特征在于,所述金属基体晶体模型为根据实验测定的空间群、晶格参数及原子坐标构建纯金属元胞,并将其扩展为超胞,各基矢方向上的扩展系数需大于等于3;
优选地,所述二元固溶体晶体模型为将纯金属超胞中任意一个原子置换为目标元素;
优选地,所述三元固溶体晶体模型为将纯金属超胞中的两个原子分别置换为目标元素和添加元素;
优选地,所述三元固溶体晶体模型包括目标元素和添加元素的第一配位层无共享原子以及目标元素和添加元素互为最近邻原子;
优选地,所述单原子模型,需构建正交晶格,且晶格参数满足以下条件:a≠b≠c,原子可固定于晶格内的任意位置。


4.根据权利要求1所述的添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法,其特征在于,计算参数包括:平面波截断能大于等于350eV,布里渊区网格密度大于等于9×9×5;体系总能量收敛判据小于等于5×10-6eV/cell,单原子受力收敛判据小于等于


5.根据权利要求1所述的添加元素对目标元素固溶度调控作用的预测方法,...

【专利技术属性】
技术研发人员:王瑨马堂鹏周吉学程开明詹成伟赵国辰孙佳星刘运腾吴建华修大鹏王西涛
申请(专利权)人:山东省科学院新材料研究所
类型:发明
国别省市:山东;37

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