[发明专利]一种设计高弹性模量二元镁合金析出相的方法

说明书

本发明公开了一种设计高弹性模量二元镁合金析出相的方法，该方法首先通过USPEX软件利用进化算法得到体系中稳定及亚稳定析出相的组分、结构，并对其进行充分的结构优化，衡量其热力学稳定性；随后计算各析出相的弹性常数，判断其力学稳定性，并进一步计算各析出相的弹性模量，对比不同组分及构型析出相的弹性常数和弹性模量，筛选出高弹性模量析出相；本发明为高强韧镁合金的生产设计提供了理论方法，有效地缩短了研发周期和成本。

技术领域

本发明涉及航空结构或生物医用的材料技术领域，尤其涉及设计高弹性模量二元镁合金合金析出相的方法。

背景技术

镁合金是迄今为止工程材料中最轻的合金，并具有阻尼减震效果好、尺寸稳定性好、容易回收、安全无毒、生物相容性高等多种优点。目前，镁合金已经在航天航空、汽车工业、电子通信等很多领域取得了广泛的应用，并被赞誉为“21世纪绿色工程材料”，具有广阔的应用前景和重大的应用价值。

随着应用领域的迅速扩展，普通镁合金已经难以满足日益严苛的使用环境。作为结构材料，镁合金的发展和应用主要面临着以下几个问题：（1）绝对强度偏低；（2）高温力学性能较差；（3）耐腐蚀性不高；（4）不利于塑性加工；（5）生产成本偏高。

上述多种传统镁合金的缺陷中偏低的力学性能已经成为制约镁合金发展的头号障碍，是众多问题中最急需解决的一个。突破这一瓶颈，镁合金将会得获得更加广泛的应用，工业生产中的很多问题也会迎刃而解。所以无论从促进镁合金自身的发展还是振兴工业加速社会发展的角度对新型高强韧轻质镁合金的探索都具有十分重要且深远的现实意义。

析出相的力学性能对合金体系的力学性能有很大影响，近年来国内外学者对镁合金中的析出强化做了大量的研究。但目前关于镁合金析出相的研究主要集中在通过实验手段对合金中析出相的取向、形状等的调节，缺乏对镁合金中析出相本征力学性质的研究，系统的合金设计尚不够科学[CN201910072337.6, CN201710068077.6 ]。

如果在时效过程前对选定合金体系内的稳定/亚稳定的析出相的结构和力学性能有所了解，那么则可以通过对析出相晶体结构的有意调节来实现对合金的力学性能的控制。所以对于新型高强韧镁合金设计，从理论上对其析出相的组成、结构和力学性能的预测都具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种使用第一性原理高效设计具有较高弹性模量的二元镁合金析出相的方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种设计高弹性模量二元镁合金析出相的方法，包括以下步骤：

（1）稳定及亚稳定析出相组分及结构的预测：通过VESTA软件构建种子文件，使用USPEX软件进行变组分结构预测，并根据形成能筛选得到稳定及亚稳定析出相的组分及结构文件；

（2）模拟计算：

a. 采用Quantum Espresso软件将步骤（1）中得到的析出相结构模型进行充分的结构弛豫（vc-relax），生成各析出相基态稳定结构数据文件，作为下一步弹性常数计算的输入文件；

b. 将步骤（2）a中得到的析出相基态结构模型采用Quantum Espresso软件进行自洽计算（scf），利用应变能-应变方法，提取施加不同应变后的结构能量数据，计算各析出相的弹性常数C_ij；

（3）结果处理与分析：

a. 提取应变后体系的能量数据，借助绘图软件结合其对应的应变量，拟合得到各析出相体系的弹性常数矩阵C_ij；

b. 利用上一步骤中得到的弹性常数矩阵C_ij，借助玻恩力学稳定性判据分析判断各析出相的力学稳定性；

c. 利用Vogit-Ruess-Hill方法计算各析出相的体模量、剪切模量及杨氏模量；

d. 通过形成能以及弹性模量的综合筛选，得出稳定性高且具备高弹性模量的二元镁合金析出相。