通过剪切变形计算密排六方金属及合金中层错能的方法

1.本发明属于结构金属领域，涉及一种通过剪切变形计算密排六方金属及合金中层错能的方法。


背景技术：

2.进入21世纪以来，由于环境和能源问题越来越受到人们重视，开发具有高强度低密度，对环境友好的金属材料，已成为当前研究结构材料的主要目标。镁合金是最轻的结构金属材料，具有优良的导电导热性能、减震减噪性能、良好的生物相容性以及可降解利于保护环境等优点，在航空航天、汽车、生物医学及电子通讯等行业有着极为广泛的应用。但室温下镁合金的强度和塑性都较低，难以满足工业上大规模应用的要求。因此，研究能够更快反映镁合金塑性表征指标的方法对其未来应用有重要作用。
3.镁是密排六方(hcp)结构金属，室温下，镁的晶格常数为轴比为c/a＝1.624。其最外层的价电子结构为3s2，这使得镁不具有任何的共价键性质，其平均价电子结合能和原子间结合力也很低。镁的密排面是{0001}面，密排面上密排方向为《11-20》方向，其最短的柏氏矢量是1/3《11-20》。从结构上看，密排六方金属晶体中常见的滑移系有：基面《a》滑移{0001}《11-20》、柱面《a》滑移{10-10}《11-20》、锥面i型《a》滑移{10-11}《11-20》、锥面ii型《a》滑移{11-22}《11-20》、锥面i型《c a》滑移{10-11}《11-23》以及锥面ii型《c a》滑移{11-22}《11-23》。对于晶体材料的塑性来说，结构中具有的可动滑移系的数目与其密切相关。从晶体学的角度来说，室温下密排六方晶体中基面滑移{0001}《11-20》是最容易开启的，但此滑移系只能提供2个独立的滑移系，不满足米赛斯屈服准则的要求，即至少需要5个独立滑移系统材料才能在变形时拥有良好的成型性能。因此，研究镁合金中不同滑移系形成过程中层错能的大小，对进一步设计高力学性能镁合金材料具有重要意义。
4.文献acta materialia.67,168-180(2014)利用剪切变形计算镁基面《10-10》方向部分位错的层错能与孪生的竞争关系，但是基面{0001}面作为密排面，只能提供2个独立的滑移系。文献中提到的方法只适用于柏氏矢量小的基面《a》位错，无法应用于柏氏矢量大的位错，例如锥面《c a》位错。而《c a》位错单独便能提供5个独立滑移系，因此研究不同滑移系的层错能对镁合金的塑性至关重要。


技术实现要素：

5.针对现有密排六方金属及合金层错能计算方法不够快速，存在真空影响的问题，本发明提供一种通过剪切变形计算密排六方金属及合金中层错能的方法。本发明采用第一性原理的方法，以剪切变形的方式得到密排立方金属的基面、柱面、锥面i和锥面ii的5个滑移系的层错能垒，提高了计算效率，减小了计算成本，更为全面准确地研究密排六方金属及合金的塑性。
6.本发明的技术方案如下：
7.通过剪切变形计算密排六方金属及合金中层错能的方法，包括以下步骤：
8.(1)利用dft计算方法对密排六方金属原胞进行结构优化得到其晶格常数，并与实验值比较；
9.(2)对密排六方金属原胞进行特定面的切面，分别构建基面(0001)、柱面(10-10)、锥面i(10-11)和锥面ii(10-12)表面，并根据所需模型柏氏矢量的大小确定合适的三个晶向指数，得到相应的块体模型；
10.(3)将模型输出为包含原子几何位置、离子位置的文件，并将其中的坐标系改为笛卡尔坐标系，保持原坐标系中内部所有原子的位置不变，同时改变它们在新坐标系中的表示形式，改变晶格矢量矩阵的大小，使得在块状模型顶部或底部得到层错缺陷，实现滑移变形的目的；
11.(4)对密排六方金属及其合金的基面(0001)《a》位错、柱面(10-10)《a》位错、锥面i(10-11)《a》位错初始模型和剪切变形之后的模型进行一系列结构优化，得到密排六方金属及其合金关于《a》位错滑移系的广义层错能(gsfe)曲线；其次，对锥面i(10-11)《c a》位错、锥面ii(10-12)《c a》位错的初始晶向参数在结构图上进行一系列测试纠正，获得合适的晶向指数，结构优化，得到相对应的密排六方金属及其合金关于《c a》位错滑移系的gsfe曲线，通过gsfe曲线得到层错能。
12.本发明中，所述的密排六方金属为本领域公知的密排六方金属，可以是镁、锌、钛、锆等金属。
13.进一步地，步骤(1)中，具体方法为：利用materials studio软件，导入密排六方金属原胞结构，采用加入optb88范德华力的dft方法对晶格常数进行优化，并与实验参数进行对比，得到可用于结构优化计算的晶格常数。
14.进一步地，步骤(2)中，具体方法为：在materials studio软件中对密排六方金属原胞进行特定面的切面，得到基面(0001)、柱面(10-10)、锥面i(10-11)和锥面ii(10-12)不同的表面，首先对柏氏矢量较小的基面(0001)、柱面(10-10)选择简单的相互垂直的三个晶向指数；其次由于锥面i(10-11)和锥面ii(10-12)的柏氏矢量较大，如果简单的选择相互垂直的晶向指数的话，各向异性特性越强，导致模型在弛豫过程中会发生一定程度变形，从而造成结果误差较大，所以根据实际需要选择合适的三个晶向指数，各个面的晶向指数分别为基面《a》的《-12-10》、《10-10》、《0001》三个晶向，柱面《a》的《0001》、《11-20》、《-1100》三个晶向，锥面i《a》和《c a》的《-2113》、《1-210》、《8-1-73》三个晶向以及锥面ii《c a》的《-1100》、《11-2-3》、《55-103》三个晶向；对得到的初始模型使用supercell功能分别构建面(0001)、柱面(10-10)、锥面i(10-11)和锥面ii(10-12)五种超胞模型，得到所需计算的块体模型。
15.进一步地，步骤(3)中，具体方法为：将得到的基面、柱面、锥面i和锥面ii的块体模型输出为包含原子几何位置、离子位置的文件，并将其中的坐标系转换为笛卡尔坐标系，即保持原坐标系中内部所有原子的位置及向量不变，同时改变它们在新坐标系中的表示形式，在位置文件中改变晶格矢量矩阵的大小，实现只有超胞的顶层在剪切方向上位移，而其他所有层的原子保持在原来的位置，使得在块状模型顶部或底部得到层错缺陷，实现滑移变形的目的。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
17.(1)采用剪切变形法，保持原坐标系中内部所有原子的位置及晶格向量不变，同时改变它们在新坐标系中的表示形式。只有超胞的顶层在剪切方向上位移，而其他所有层的原子保持在原来的位置，顶层的位移一开始只影响到下一层，但在上层固定位移处的松弛导致位移自上向下传播。这种方法仅在顶部或底部形成缺陷，比常用的真空板剪切方法少一半的原子数就可以产生与其相同的变形程度，节约了计算成本，提高了计算效率。
18.(2)由于剪切变形法模型采用周期性结构，不需要真空板剪切方法中真空层对结构以及缺陷处的影响。
19.(3)因为模型结果对模型初始形态依赖性很大，所以初始晶向的选取就显得尤为重要，又因为在面心立方晶体中不存在这种状况(面心立方金属模型三个垂直晶向符合晶向结构初始晶向)，较为好找，滑移变形的结果也只会出现略微的误差；而在密排六方结构中影响就较大，尤其是在密排六方金属的锥面结构，这种构型因为要找到三个垂直方向作为三个晶向包含的原子数多且不符合晶体学初始晶向，所以较为困难，最重要的是因为密排六方金属锥面滑移系《c a》位错方向的柏氏矢量较大，导致这样滑移变形后的结构各向异性特性很强，与正常结果的偏差加大。本发明通过一系列测试，改进了这一问题，使得滑移变形在密排六方金属基面、柱面、锥面i和ii上应用的结果更好。
20.综上所述，本发明将剪切变形的方法应用到《c a》位错中，由于密排六方金属非基面柏氏矢量较大，适用于面心立方金属(fcc)中的剪切变形方法无法直接应用到密排六方中，因此本发明对照镁结构图进行了晶向指数搜索，将不合理的结构剔除后，获得合理的晶向指数，从而得到准确的广义层错能(gsfe)曲线。而且本发明利用剪切变形，改变晶格矢量矩阵的方法施加变形，相较于现有的常用的真空板剪切方法，更接近实际情况，所需原子数更少，提高了计算效率，减小了计算成本。
附图说明
21.图1是本发明的镁及其合金的变形模式。
22.图2是本发明的纯镁金属的原胞结构。
23.图3是本发明的纯镁金属的基面{0001}的《a》位错结构示意图。
24.图4是本发明的纯镁金属的柱面{10-10}的《a》位错结构示意图。
25.图5是本发明的纯镁金属的锥面i{10-11}的《a》位错结构示意图。
26.图6是本发明的纯镁金属的锥面i{10-11}的《c a》位错结构示意图。
27.图7是本发明的纯镁金属的锥面ii{10-12}的《c a》位错结构示意图。
28.图8是本发明的镁合金的基面{0001}的《a》位错结构示意图。
29.图9是本发明的镁合金的柱面{10-10}的《a》位错结构示意图。
30.图10是本发明的镁合金的锥面i{10-11}的《a》位错结构示意图。
31.图11是本发明的镁合金的锥面i{10-11}的《c a》位错结构示意图。
32.图12是本发明的镁合金的锥面ii{10-12}的《c a》位错结构示意图。
33.图13是本发明的纯镁金属《a》位错随剪切变形所产生的过程示意图。
34.图14是本发明的纯镁金属《c a》位错随剪切变形所产生的过程示意图。
35.图15是本发明的纯镁金属通过笛卡尔剪切变形方法计算得到的基面{0001}、柱面{10-10}和锥面i{10-11}《a》位错的gsfe曲线。
36.图16是本发明的纯镁金属通过笛卡尔剪切变形方法计算得到的锥面i{10-11}和锥面ii{10-12}《c a》位错的gsfe曲线。
具体实施方式
37.下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
38.实施例1
39.(1)利用materials studio软件，导入镁原胞结构，采用加入optb88范德华力的dft方法对晶格常数进行优化，并与文献j.phys.condens.matter.13,10767-10776(2001)中的实验参数进行对比，得到可用于结构优化计算的晶格常数，如图2所示。
40.(2)在materials studio软件中对镁原胞进行特定面的切面，得到基面(0001)和柱面(10-10)两个面，因为其柏氏矢量较小，可直接选用相互垂直的三个晶向指数，即基面的《-12-10》、《10-10》、《0001》三个晶向和柱面的《0001》、《11-20》、《-1100》三个晶向。对得到的初始模型使用软件中的supercell功能分别构建1
×2×
6的基面(0001)、2
×2×
3的柱面(10-10)超胞模型，为了综合计算结果的准确性和计算软件的受限性，使用了48个原子的模型，最后得到所需计算的块体模型，如图3、图4所示。
41.(3)将得到的基面和柱面的块体模型输出为包含原子几何位置、离子位置的文件，并将其中的坐标系转换为笛卡尔坐标系，即保持原坐标系中内部所有原子的位置及向量不变，同时改变它们在新坐标系中的表示形式。改变位置文件中的内容，使其在x、y固定z方向弛豫，同时在此位置文件中改变晶格矢量矩阵的大小，实现只有超胞的顶层在剪切方向上位移，而其他所有层的原子保持在原来的位置，使得在块状模型顶部或底部得到层错缺陷，实现滑移变形的目的。
42.(4)分别沿着基面《a》和柱面《a》方向进行剪切变形的晶格矢量矩阵大小的改变得到一系列滑移变形的位置文件，对相应模型进行结构优化，优化过程中，对于其中的《a》位错的x和y方向坐标固定，仅弛豫z坐标(和滑移面垂直的方向)。滑移过程如图13所示。根据弛豫后的能量差值大小，得到纯镁中基面《a》和柱面《a》滑移系的gsfe曲线，如图15所示，得到的层错能大小分别为249mj/m2和214mj/m2。
43.实施例2
44.本实施例是对前述实施例的进一步改进，仅对改进的部分进行说明。
45.本发明不限于此，由于锥面i(0001)和锥面ii(10-12)的柏氏矢量较大，如果简单的选择相互垂直的晶向指数的话，各向异性特性越强，导致模型在弛豫过程中会发生一定程度变形，从而造成结果误差较大，所以根据实际需要对晶向指数进行了一定的改进。首先在materials studio软件中对镁原胞进行特定面的切面，得到锥面i(10-11)、锥面ii(10-12)两个面，又根据柏氏矢量定义了三个方向，分别为锥面i《a》和《c a》的《-2113》、《1-210》、《8-1-73》三个晶向以及锥面ii《c a》的《-1100》、《11-2-3》、《55-103》三个晶向。使用软件中的supercell功能分别构建锥面i《a》和《c a》和锥面ii《c a》初始模型，结构如图4、图5、图6所示。
46.沿着锥面i《a》和《c a》和锥面ii《c a》方向进行剪切变形的晶格矢量矩阵大小的改变得到一系列滑移变形的位置文件，对相应模型进行结构优化，优化过程中，对于其中的
《a》及《c a》位错的滑移方向坐标固定，弛豫其余两个方向，滑移过程如图14所示。根据弛豫后的能量差值大小，得到纯镁中锥面i《a》和《c a》和锥面ii《c a》滑移系的gsfe曲线，如图15和图16所示，得到的层错能大小分别为280mj/m2，362mj/m2和320mj/m2。
47.对于镁合金，将合金元素固溶替换到模型顶部或底部，即滑移位错缺陷所在处，用类似纯镁的计算方法得到镁合金的gsfe曲线，通过这些gsfe曲线可以得到滑移能垒，从而获得不同滑移系开启的难易程度，如图8～12所示。
48.本发明不限于此，对于除镁合金以外的密排六方结构金属同样适用，根据其滑移位错的柏氏矢量大小确定滑移的三个晶向进行剪切滑移，确定相应的gsfe曲线。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。