基于第一性原理结构材料的力学性质研究

《基于第一性原理结构材料的力学性质研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、基于第一性原理结构材料的力学性质研究基于第一性原理结构材料的力学性质研究摘要基于电子结构理论的第一性原理的计算方法是最有前途的材料设计的计算方法之一。虽然只有少数力学性能（例如，理想的强度和弹性常数）是直接由第一性原理计算得出，通过提取适当的计算参数，这种方法可以预测复杂的机械性能，（例如，体弹性模量剪切模量的比例，形成能和晶格缺陷之间的相互作用能）并采取适当的模型（如位错核心的Peierls–Nabarro模型）。在本论文中，我们简要回顾一下最近的第一性原理对结构材料机械性能的研究，涵盖了理想的强度，弹性常数，晶格缺陷等主题。最近的一些主要

2、如相干势耦合近似第一性原理的方法（足够精确的计算具有复杂元素成分的任意合金的弹性常数）对重要的低C11-C12超级属性的BCC-Ti基合金的重视，溶质的相互作用和抗蠕变性都突出显示。关键词：第一性原理的方法；机械性能；理想的强度；弹性模量；晶格缺1.前言机械性能是结构材料的主要性能。获取所需的性能材料的经典方法是所谓的试错，即或多或少从周期表中任意找出数以百计的化学物元素组合来试着找到材料成分的公式。由于花费大量的时间和金钱，这样的‘材料设计’是然不是最佳的。材料科学家早就预计，他们可以有效地为所需的性能材料找到合适的‘公式'，即选择化学元素

3、有意根据目标的机械性能。随着材料的建模方法和计算机技术发展，材料科学家的梦想在逐渐接近现实。在不同的材料建模方法，基于电子结构的理论第一性原理（或从头算）[1]为最有前途的方法之一。通过求解一个系统中给定的化学位置和晶格结构的自洽薛定谔方程（实验或经验参数都不需要），这些方法产生的电，子波函数和有关的物理量，如系统的总能量，原子力等。大多数固体的性能依赖于电子的行为，由于电子是约束原子核和固体的'胶水'，因此可以通过固体的电子结构预测。然而，通过第一性原理对电子结构的计算来了解机械性能有时不是很容易，因为许多因素，从电子到原子，微观结构，连续

4、介质都包含在内。只有少数如理想强度和弹性常数等机械性能直接由第一性原理计算得出。然而，大多数机械性能像屈服强度一样具有晶格结构敏感并且高度依赖于晶格缺陷，例如空缺、间隙或置换原子，位错，晶界，层错等，因此，第一性原理晶格缺陷的调查可以提供一个间接但有效的机械性能预测方式。在本文中，我们试图给出一个过去两年的通过第一性原理方法计算机械性能的简要回顾，涵盖理想强度，弹性常数和晶格缺陷等问题，蒂斯缺陷。受限于本次审查的长度，我们应该指出，我们不可能涉及这个非常活跃的领域的所有出版物，不能讨论更多细节的主问题。由于同样的原因，本次审查不包括结构材料的

5、设计一些其他有趣的问题（如相稳定性和相变，相图，晶格动力学，等等）。2．理想强度理想的强度代表了晶体的强度极限，提供了晶体的连接方法，和，因此，这是工程设计和理论间无害环境技术。它是可从第一性原理计算直接得出的性能之一。运用一系列的增量应力于一个非应变晶体（拉伸或剪切在所需方向晶体），人们可以通过第一性原理获取最终应力。理想强度是使材料弹性不稳定所需提供的最大应力。在过去的两年里，第一性原理计算材料的理想强度如纯金属（Fe[2],Al[3-5],Si[4]和Cu[5]），金属间化合物（例如，过渡金属铝化[6,7]），和陶瓷（例如，Si3N4[

6、8,9]），等等，都被广泛报道。除了理想强度，这是最近提出的。Yip和collaborators7认为，在理想剪切强度时发生最大剪应变，就像他们定义的那样，剪切强度也是材料的固有属性这表明定量的电子和原子在[10]断键点发生固体反应。Yip和collaborators已经检查22种简单金属和陶瓷的压应力。剪切强度可能用来解释为什么铝比Cu具有较大的理想强度虽然铝在{111}、{112}具有较小的剪切模量[5]，即铝比铜具有较大的剪切模量（在弹性不稳定前有更多扩展形成范围）。理想强度的第一性原理计算多集中于完美的晶体，因为一个大的系统中需要表示

7、晶体缺陷，因此更多的计算资源是必需的。随着电子结构理论的发展（如第一性原理赝势法）及计算机技术，理论家也关注有缺陷的晶体的理想强度。铝九号晶界的理想抗张强度已经通过第一性原理赝势法进行研究[11]。结果表明，和完美的晶体相比由于晶界的重建使晶界处的理想强度减少的并不多。理想的强度晶体缺陷的理想强度提供了一些真实材料的缺陷区域固有特性的信息。3．弹性性能弹性系数是另一种可直接由第一性原理的方法推测的机械性能。虽然理想强度代表了材料大变形的非线性响应，弹性系数反映了晶格在平衡位置的小应变的线性响应。通过在晶体平衡位置进行一系列的应变，第一性原理的

8、方法给出了最终应力和总能量。根据弹性关系拟合应力应变或总能量应变曲线，人们会得到晶体（见参考文献[12]审查）的弹性常数。近几年，Laves相[12-15]，过渡/