2.1.3 细晶强化
有没有一种可能性？
晶界对位错有一定的阻碍效果，起到强化的作 用。当应力集中到一定层度后，位错可以和晶 界反应。要么穿过晶界，要么转变为晶界位错。
商用
商用
VASP操作基础
主要输入文件 POSCAR, POTCAR, KPOINTS, INCAR 主要输出文件 OUTCAR, CHGCAR
酷爱汽车(CAR)的科学家
POSCAR（原子坐标）
POS = position of atoms
构思模型
建模软件
得到坐标文件
a b c
POSCAR（原子坐标）
以试错为主 成功率低 成本 周期长
成本高
以模拟为指导的设计
有限元 Finite element 相场 Phase field 位错动力学 Dislocation dynamics
分子动力学 Molecular dynamics 第一性原理 First principles
以模拟为指导的设计
以模拟为指导
《周易》有言，君子藏器于身，待时而动。如果 你要继续深造，第一性原理绝对是你科研路上值 得珍藏的利器。
目录
一
第一性原理简介
二
第一性原理在镁合金中的应用
三
一个利用第一性原理逆袭的二本学生
一
第一性原理简介
传统的材料设计方案----炒菜式
酸、甜、苦、辣……
强度、塑性、抗腐蚀性……
“炒菜式”设计的局限性
Mg2Ga5
MgGa2.5
1.77
合金设计思路： 1、熔炼不同Ga浓度的合金 2、用不同的工艺进行热处理 3、用X射线衍射的方式确定相的种类及含量 4、根据反馈调整热处理工艺，直到第二相以MgGa0.5 ， MgGa1.0， MgGa2.0为主。
2.1.3 细晶强化
位错遇到晶界后，会被晶界阻碍而塞集，进而 产生细晶强化效应。随着位错的塞集，局部应 力会逐渐增加。增加到一定程度后，有可能在 相邻晶粒产生新的位错。也有可能产生裂纹。
成功率高 成本
成本低
周期短
第一性原理的定义 基于量子力学，直接求解薛定谔方 程的算法，叫做第一性原理。
埃尔温·薛定谔
为什么叫“第一性原理”？
来自上帝的 “第一推动”
基于量子力学的计算，能够计算出物质的结构和性质，这样 的理论很接近于宇宙和物质的本质，所以称为第一性原理。
第一性原理软件介绍
免费
Linux 平台 Linux 平台 Windows平台 Linux平台
K空间，也叫倒空间。 计算机的存储空间是有限的，所以必须以离散的方 式来解薛定谔方程。采点越密，函数越平滑，所需 空间也越大，计算速度也越慢。
f(x)=x2
INCAR
VASP可以计算各种各样的物理量。（力学， 热力学，光学……）。通过INCAR告诉 VASP我们需要哪种物理量。
简单回顾
四个输入文件 POSCAR, POTCAR, KPOINTS, INCAR.
基于第一性原理的 镁合金设计
材料与化学工程学院：豆雨辰 2015.11.04
“镁合金” Why？
国家镁合金材料 工程技术研究中心
除了镁合金，还能干别的吗？
第一性原理涉及的范围非常广泛，包括：化学反 应、扩散、半导体、光学性质、磁学性质等。总 体来说，只要你能将要研究的内容抽象为200个 原子以内的模型，第一性原理就能为你效劳。
模型 原子信息 K空间采点 控制
OUTCAR 和 CHGCAR
• • • • 记录模拟过程 晶格参数 应力 能量 • 电荷密度 CHG = Charge 用VESTA软件可、对 电荷密度进行可视化。
二
第一性原理在镁合金中的应用
镁合金简介
为了降低二氧化碳的排放，对交通工具减重的需 求越来越强烈。同时，为了配合可持续发展的战 略目标，需要寻求新型结构材料来替代传统构 材料（钢铁、铝合金）以减缓对它们的开采。在 这样的前题下，密度仅为钢铁材料1/4而且储量丰 富的镁合金受到人们广泛的关注。然而，由于镁 合金面临着塑性较低和强度较低的双重问题，以 致其使用量远不及钢铁和铝合金。
面心立方 …ABCABCABC… …ABCACABCA…
C 铃木气团
C+ 基于孪晶的“聂建峰”气 团
重庆大学教授 聂建峰
C+ 基于孪晶的“聂建峰”气 团
C+ 基于孪晶的“聂建峰”气 团
孪晶偏聚能 溶质原子偏聚到孪晶 界面，使得体系的能 量降低。大原子偏聚 与膨胀格点，小原子 偏聚于压缩格点。
周期性边界条件
第一性原理的计算量非常大。40个原子的体系， 需要8核心的电脑计算3天。所以模型中包含的 原子数量通常在100个以内。
POTCAR(原子质量、电子轨道)
POT = potential
每个元素有一个现成的POTCAR 选择不同的POTCAR可以实现对各种合金的模拟
KPOINT （K空间采点）
2.1.2 第二相强化
σ33 σ32
Mg7Y
未知
人为 设定
VASP 计算
2.1.2 第二相强化
B/G>2 表示塑性较好
读研吧！有海量的化合物等着你！
2.1.2 第二相强化
Mg5Ga2 Mg2Ga MgGa MgGa2 MgGa0.4 MgGa0.5 MgGa1.0 MgGa2.0 2.0 2.31 2.43 2.64
1、建模 2、替换
3、结构优化（释放应力）
4、OUTCAR中读取晶格参数 溶质原子数目不同，得到的晶格参数不同。
B 模量
虎克定律 F=k•x k=x-1•F
B 模量
σ33 σ32
未知
人为 设定
VASP 计算
准备读研了吗？成千上万种材料等着你！
C 铃木气团
溶质原子偏聚到层错，形成铃木气团
密排六方…ABABABABAB… …ABABACBCBC…
C+ 基于孪晶的“聂建峰”气 团
偏聚的前题是扩散
扩散激活能
C+ 基于孪晶的“聂建峰”气 团
孪晶偏聚强化设计图
2.1.2 第二相强化
第二相颗粒通常是金属间化合物，通常比较 硬，对位错有较强的阻碍作用。为了在提高 强度的同时，不损失塑性，我们希望这些颗 粒不要太脆。
从试验的角度，很难对第二相颗粒的塑性进行测试
2.1 镁合金的强化
形核
理论剪切强度 通常为GPa级
迁移
临界分切应力（CRSS） 通常为MPa级
2.1 镁合金的强化
2.1.1 固溶强化
2.1.2 第二相强化
2.1.3 细晶强化
2.1.1 固溶强化
A、尺寸效应
B、模量（剪切、 体模量、弹性模量）
虎克定律 F=k•x
C、铃木气团
A 尺寸因素
32个 原子