[发明专利]一种微量溶质元素晶界偏聚的筛选方法

说明书

本发明公开了一种微量溶质元素晶界偏聚的筛选方法，从材料晶界数据库中检索所需的基体材料同类型晶界，依据数据库信息构建晶界或基于材料模拟软件直接模拟并构建同类型晶界，接着利用材料模拟软件设置相关参数获取微量溶质元素在晶界的偏聚能以及脆性能等，并与实验结果进行校对，最终根据以上结果筛选出在晶界上偏聚的溶质元素种类以及判断它对晶界力学性能的影响。通过该方法，可以迅速有效地获取溶质元素在晶界偏聚的各种信息，为改善材料的力学性能提供科学依据，同时大幅度减少了实验成本和时间，具有很强的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种微量溶质元素晶界偏聚的筛选方法，利用该方法能够迅速有效地获取溶质元素在晶界偏聚的各种信息，为改善材料的力学性能提供科学依据，属于材料设计技术领域。

背景技术

实际使用的固体材料绝大部分是多晶体，而不是按单一定向的晶格排列的单晶体。多晶体中相邻两个不同取向晶粒之间的界面叫做晶界。在多晶材料中往往也不可避免地存在着各种溶质元素，如杂质和合金添加剂等。这些外来元素由于原子沿着晶界的扩散比在体相中扩散所需要的激活能小，因此更易于渗入晶界处分布，这些必然使晶界具有非常复杂的性质，进而影响材料的整体力学性能。因此，无论是金属或是非金属，晶界性质都尤为重要。上世纪八十年代由日本科学家渡边忠雄最先提出晶界工程，同时也可称为晶界设计与控制。通过晶界设计与控制提高材料性能已经被试图广泛用于设计和发展高性能的结构和功能材料。

随着超级计算机的计算能力和访问技术的迅速提高，材料模拟仿真在材料设计领域得到越来越广泛的应用。它能够直接从原子尺度描述微观组织对材料性能的影响，为新合金的实验开发和设计提供理论指导。尤其量子力学方法随着计算能力的增强更适用于实际材料体系。量子力学第一原理的优势在于几乎不会采用任何带有经验的参数，而是直接从给定的原子构型开始运用量子力学的基本计算，具有很高的准确度和预言性。大量理论计算已经表明杂质或合金添加元素对材料力学性能的影响与它引起的结合能的改变(原子从晶界迁移至自由表面所需的能量)是紧密联系的，此项规则可用于判断偏聚元素是否起脆化作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微量溶质元素晶界偏聚的筛选方法，采用该筛选方法可以简单快捷地获取微量溶质元素在基体晶界处偏聚的各种信息，与以往的单一的实验方法相比，大幅度降低了实验操作的复杂性以及研究成本的投入，进而从晶界设计与控制角度出发改善了材料的力学性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微量溶质元素晶界偏聚的筛选方法，包括以下步骤：

(1)获取基体晶界特征：从材料晶界数据库中检索同类型晶界，若存在，依据数据库信息构建晶界，若不存在，通过材料模拟软件建立对应的晶界，材料模拟软件包括量子力学第一原理软件VASP以及分子动力学计算软件LAMMPS等。材料晶界数据库主要包括实验和计算模拟获取的材料的晶格常数、晶界原子点阵分布和晶界形成能等信息；

(2)获取微量溶质元素晶界偏聚能：利用材料模拟软件设置相关参数获取微量溶质元素晶界偏聚能曲线，并判断溶质元素在晶界是否偏聚以及其最可能的晶界占据位置；

(3)获取微量溶质元素晶界脆化能：利用材料模拟软件设置相关参数获取微量溶质元素在基体表面的偏聚能，从而计算出微量溶质元素从晶界迁移至自由表面所需的能量，即晶界脆化能，最终根据以上结果判断出微量溶质元素对晶界力学性能的影响程度，完成溶质元素晶界偏聚的评估，并根据脆化能的数值筛选出需要的溶质元素。

在本发明的筛选方法中，所述材料晶界数据库材料晶界数据库主要包括实验和计算模拟获取的材料的晶格常数、晶界原子点阵分布和晶界形成能等信息。将所述步骤(3)获取的有关的晶界晶格常数、晶界原子点阵分布和晶界形成能等信息存储到材料晶界数据库。所述步骤(2)中通过量子力学第一原理或其它计算方法设置相关参数绘制偏聚能曲线，用于确定微量溶质元素在晶界的偏聚位置。