[发明专利]基于原子在亚晶格占位行为的高熵合金力学性能计算方法

说明书

本发明涉及一种基于原子在亚晶格占位行为的高熵合金力学性能计算方法，包括以下步骤：步骤S1:获取待计算合金体系的相结构；步骤S2:构建亚晶格模型并确定各亚晶格原子数的比例；步骤S3：构建合金体系的端基化合物；步骤S4:计算所有端基化合物的热力学数据，吉布斯自由能与温度的对应关系；步骤S5:建立端基化合物的热力学数据库；步骤S6:计算各原子在亚晶格的占位信息；步骤S7:计算出在各个亚晶格中每种原子的个数,并把随机分布的亚晶格原子合并为合金相晶格，产生体系最终的晶胞；步骤S8:根据得到的体系最终的晶胞，计算热力学性质和力学性能。本发明基于原子在亚晶格上的占位有序化行为，实现准确的预测高熵合金材料性能。

技术领域

本发明涉及金属材料计算与预测领域，具体涉及一种基于原子在亚晶格占位行为的高熵合金力学性能计算方法。

背景技术

高熵合金是一种新的合金设计理念，组成元素众多，成分呈现等原子比或近等原子比，物相结构相对来说比较简单，主要相组成为FCC、BCC或HCP固溶体。根据高熵合金成分和热处理工艺的不同，高熵合金可能具有一种或多种独特的力学性能和化学性质，如高强度、高硬度、抗高温软化行为、抗辐照损伤能量、抗高温氧化和环境腐蚀能力。但高熵合金研究领域又存在很多争议，对高熵合金中合金成分、物相中原子排列、物相结构与性能之间的关系缺乏定量化的研究。尽管有不少文献资料从实验角度对高熵合金的力学性能开展研究，但高熵合金的制备和测试环节，涉及到大型和贵重的分析测试仪器的使用，以及复杂的数据分析技术，导致可靠的材料微观结构数据和力学性能数据难以经济和方便获得。

随着材料科学与计算机的高速发展，基于经典热力学、第一性原理计算等基本原理的材料计算与模拟方法可望在材料微观结构与性能计算设计方面发挥巨大的作用，如相图计算，预测材料结构及性能，进而优化设计材料的成分、显微结构和性能等；另一方面，对材料进行计算或模拟时，首先需要建立原子在空间晶格上的分布模型，所建立的模型直接影响着计算结果的可靠性。而目前少量报道中，通常采用准随机近似(SQS)、相干势近似(CPA)对多主元高熵合金的物相中原子分布进行建模，采用完全无序的理想混合结构模型，只与原子种类数有关，与原子种类无关，显然不够科学合理，因为不同元素之间，因晶体结构、原子结构及电负性等各不相同，原子间的相互作用各部相同，导致存在原子排列偏离理想的随机分布，在亚晶格上存在或强或弱的占位有序化倾向，这种有序化倾向随着热处理温度的不同，而出现有序-无序转变，使得体系吉布斯自由能最低而处于稳定结构状态。通常，合金相中在低温下表现出较强的占位有序化倾向性，高温时表现出较强的无序化占位倾向性。目前文献中对金属间化合物或多主元高熵合金采用的完全有序模型和完全无序模型都难以体现这种实际的结构，因此，预测高熵合金材料性能时，计算方法不尽合理，预测预测结果不够准确。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于原子在亚晶格占位行为的高熵合金力学性能计算方法，在亚晶格及整体晶格上的占位有序化分布行为基础上，基于精确的占位分数(Site Occupancy Fraction,SOF)，建立原子在亚晶格和整体晶格上的分布模型，进而实现高熵合金材料性能准确的预测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于原子在亚晶格占位行为的高熵合金力学性能计算方法，包括以下步骤：

步骤S1:获取待计算合金体系的相结构；

步骤S2:根据得到的待计算合金体系相结构，构建亚晶格模型并确定各亚晶格原子数的比例；

步骤S3：根据亚晶格模型及原子比例，构建合金体系的端基化合物；

步骤S4:计算所有端基化合物的热力学数据、体积与能量的对应关系，并获取端基化合物的吉布斯自由能与温度的对应关系；

步骤S5:根据得到的吉布斯自由能与温度的对应关系，采用相图计算法的函数关系式进行拟合，得出函数关系式的各个参数，建立端基化合物的热力学数据库；