[发明专利]一种计算固溶体材料孪晶形成能力的方法

说明书

技术领域

本发明属于孪晶技术领域，尤其涉及一种计算固溶体材料孪晶形成能力的方法。

背景技术

作为最轻的金属结构材料，镁合金在降低汽车和飞机重量方面前景广阔，提高了燃料的效率，并且使其更加环保。然而，镁合金较低的延展性和强度仍然限制了它的广泛应用。室温下激活镁合金的基面滑移所需要的应力比它的棱柱面和锥面滑移面要低得多。一般来说，由于基面位错在障碍物前塞积导致的应变集中而使得镁合金在塑性变形的早期阶段就发生断裂。最近有报道称，在室温下，通过增加少量的稀土元素(RE)，镁的延展性在很大程度上得到了改善。然而，与纯镁相比，这些镁合金的强度并没有增加。幸运的是，先前的研究表明，通过加入一些特殊的溶质原子可以使得镁合金的强度达到600兆帕，并且延展性保持在一个可以利用的范围。因此，可以想象，一定存在某种特殊的方法来获得高强度的镁合金，同时具有良好的延展性。添加少量的稀土元素(RE)对镁合金的塑性变形模式的改进主要是由于增加了另外的塑性变形模式，例如拉伸和压缩孪晶，二次孪晶和锥面c+a滑移，这些都允许镁合金在塑性变形时沿c轴方向上发生塑性变形。实验结果表明，由于应力荷载作用下，附加的滑移模式主要异质成核于一种叫I₁层错(SFs)的堆垛缺陷(堆垛次序为…ABABCBCB…)。这种I₁层错是由于基平面上晶格空位在高温下的集中而形成，在室温下并通过的溶质原子的作用稳定下来。这个I₁层错是一个不动层错，由一个六边形的位错环包围着，其伯格斯矢量沿着c轴。有趣的是，获得的高强度的镁合金也是由于基面层错造成的。高密度甚至是纳米间隔宽堆积的层错使得位错均匀受阻于层错界面，并进一步阻碍新产生的位错，进而使得位错分布更加均匀，从而极大地提高了机械性能。这种纳米基面层错缺陷强化机制与最近报道的纳米尺度(111)孪晶界面强化的面心立方(fcc)金属，如铜合金的机制非常类似，可以获得力学性能更强的材料。在hcp金属中，位错诱导的滑移和连续层错模型(文章中称为基面孪晶)是一种相互竞争的变形机制。很明显，在基平面上的孪晶可以在镁中引入更多的基面层错，而溶质原子应该扮演着重要的角色。如果添加某些使得基面孪晶形成能力的溶质原子，可以使得镁合金兼具高强度和高塑性。然后，对于此，实验方面却鲜有报道。因此，阐明溶质原子对基面层错的形成和增殖的影响是很重要的。由于在实验中很难准确地确定堆层错能量(SFEs),需要更可靠的研究方法来计算在溶质原子对镁合金层错能的影响。在过去的几十年里，第一原理计算被证明是许多研究领域的有力工具，包括材料的堆层错能。此外，自从广义平面层错能(GPFE)在1970年代由Vitek提出以后,它至今已经被广泛用于预测fcc和hcp材料的孪晶形成能力。而广义平面层错能只能由第一原理计算出来。最近，人们已经开展了一些关于溶质原子对金属材料的广义层错能的影响的理论研究。但其计算方法则主要是通过在晶胞滑移面上替换一个镁原子直接计算广义平面层错能来获得的；通过改变晶胞包含原子数目的多少来确定溶质原子的浓度。这样，即使在滑移面上溶质原子浓度相同的情况下，得出孪晶形成能力随晶胞大小的变化而不变的定律。显然这是不符合实验观测的。另一方面，不管采用何种晶胞，其滑移面上的浓度(6at.％～25at.％)远远大于实际浓度,会明显高估溶质原子的影响。基于此，有必要进一步澄清溶质原子浓度对镁合金基面孪晶形成能力的影响。最近的实验结果表明，溶质浓度对金属的孪晶形成能力有重要作用。Kibey等通过第一原理计算对铜合金的广义平面层错能GPFE和孪晶形成能力的研究，得出了铝的浓度对铜合金的大致影响规律，其结果与实验结果的比较吻合。然而，到目前为止还很少有关于溶质浓度对金属孪晶形成能力影响的理论研究。

综上所述，现有技术存在的问题是：直接用超晶胞方法计算得到的固溶体广义平面层错能GPFE，不能精确计算溶质原子对固溶体孪晶形成能力的影响。主要的难度是按照当前世界的计算机内存和运算速度条件，用超晶胞方法计算时由于晶胞较小，计算固溶体广义平面层错能GPFE时，溶质原子在晶胞内的分布情况无法准确描述。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种计算固溶体材料孪晶形成能力的方法。

本发明是这样实现的，一种计算固溶体材料孪晶形成能力的方法，所述计算固溶体材料孪晶形成能力的方法包括以下步骤：

步骤一，计算溶质原子与广义平面层错之间的相互作用；

步骤二，采用均匀分布模型计算镁固溶体中各种浓度的溶质原子对广义平面层错能的影响；