基于第一性原理医用镁合金的强韧化研究

论文摘要

镁是生物系统中必不可少的元素,镁在人体中通常以Mg2+离子的形式出现,作为人体中所必须的元素之一,广泛存在于人体的各种细胞结构中。适量的镁不仅能够促进人体骨骼对钙的吸收,还对人体神经系统的调节具有一定的帮助作用。在医用植入器件领域,镁有望成为传统医用金属如铁、钛等的理想替代者。但是,由于纯镁的韧性较差、且强度达不到器件的使用要求,这也成为镁在医用领域中广泛应用的瓶颈问题。目前,合金化是改善纯镁韧性差、强度低等问题的有效手段之一。本文选取了Al、Ca、Ce、Gd、、Li、Nd、Sc、Y、Zn、Zr等10种医用合金化元素分别添加到纯镁中。首先采用了第一性原理方法计算了纯镁及其合金{0001}基面材料的表面能,体系表面能的高低来表征材料强度。其次,模拟实际状态下晶体内部裂纹的产生及扩展,探究了在{0001}基面、{1010}柱面条件下,不同合金化元素组成的体系在裂纹扩展时的抵抗能力,通过对比体系总能量的增涨幅度,表征材料的韧性。计算了镁及其合金{112公}锥面滑移系在裂纹扩展时,体系能量的变化,衡量锥面滑移系开动的难易程度,用以表征合金体系的韧性。（1）在{0001}基面滑移系中,添加了对计算模型优化的步骤,优化后体系总内能有所下降,优化前后能量的差值为体系内由于加入原子尺寸不同的原子所引起局部晶格畸变所产生的能量。通过差分电荷图分析可知,在合金化元素的原子晶轴方向存在电子空洞,而镁原子周围则没有出现。由此可以推断出经过模型优化各原子的核外电子得到了重新排列,使得体系达到一个更稳定的状态,计算模型的优化不仅可以消除体系内应力并且可以使得体系结构构成更加合理。（2）在{0001}基面,计算了合金化元素添加后各体系的表面能,结果表明,Al、Ce、Gd、Li、Nd、Sc、Y、Zn、Zr等元素能够增加体系的表面能,提高体系的强度,而Zn原子则会降低体系的表面能。对于裂纹尺寸变化的敏感程度而言,Al、Ca、Gd、Li、Nd、Y等元素的添加会使得体系的能量增幅变大,裂纹在晶体内的的扩展变的更加敏感,这些元素的加入会降低镁合金的剪切强度;加入Ce、Sc、Zn、Zr元素,体系裂纹扩展时能量的增幅相比纯Mg呈现降低趋势,当裂纹在晶体内扩展时体系仍能维持较低能量的状态,这些元素的加入能够提高镁合金的韧性。（3）在{10（?）0}柱面滑移系中,计算了体系内能和裂纹扩展时不同体系的能量增幅,结果表明:体系的总能量相比于{0001}基面有所降低,Zn元素的加入能够降低体系的内能,Al、Ca、Ce、Gd、Li、Nd、Sc、Y、Zr元素则提高体系的能量。对于裂纹扩展不同元素组成体系的敏感程度,Al、Ca、Gd、Li、Nd、Y元素的添加会使得体系对于能量增幅提升较大,会降低镁合金的剪切强度。Ce、Sc、Zn、Zr元素会降低体系对于裂纹扩展的敏感程度该计算结果与基面状态时保持一致,会增加镁合金的剪切强度。相比于{0001}基面逐层裂纹扩展时体系能量的增幅,柱面取向下能量的增幅普遍有所提升。（4）{11（?）2}锥面滑移系的开动对于提升镁合金的韧性有着重要作用,锥面条件下裂纹扩展的难易程度可以反映出材料的韧性。Ce、Sc、Zn元素添加后,随着裂纹的扩展体系整体能量的增幅较小,体系能够承受更大的形变量,会使得镁合金体系的韧性增强。Al、Ca、Gd、Li、Nd、Y、Zr元素的添加则会使的体系整体内能随着裂纹的扩展较快升高,体系所能够承受的形变量减小,镁合金的韧性有所下降。锥面体系的总能量与裂纹尺寸的增长呈指数性变化,当裂纹尺寸增大时,体系能量的增长速度在加快。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 镁的研究现状

1.1.1 镁的性能及应用

1.1.2 镁存在的问题

1.2 镁合金强韧化研究进展

1.3 镁合金化第一性原理研究进展

1.4 课题研究意义及主要研究内容

1.4.1 课题研究意义

1.4.2 课题主要研究内容

2 模拟及分析方法

2.1 第一性原理分子动力学

2.1.1 计算原理

2.1.2 VASP软件介绍

2.1.3 Material Studio软件介绍

2.1.4 VESTA软件介绍

2.2 模拟计算实验分析方法

2.2.1 晶格常数c的选取与优化

2.2.2 K点的选取与计算

2.2.3 计算模型的建立与结构优化

2.2.4 体系内能（Energy without Entropy）

2.2.5 {0001}基面材料表面能计算

2.2.6 不同的裂纹尺寸对整体体系稳定性的影响

2.2.7 差分电荷图分析

2.3 模拟计算路线图

2.3.1 实验设备

2.3.2 实验技术路线图

3 基面取向合金元素及裂纹尺寸对Mg合金强韧性的影响

3.1 引言

3.2 基面取向下合金元素对Mg合金稳定性的影响

3.2.1 计算参数及计算模型的优化

3.2.2 合金元素对Mg合金{0001}基面滑移系稳定性的影响

3.3 {0001}基面取向的表面能计算

3.4 裂纹扩展对Mg合金强韧化的影响

3.4.1 计算模拟实验细节

3.4.2 模拟计算实验结果

3.5 本章小结

4 非基面取向下合金元素及裂纹尺寸对Mg合金强韧性的影响

4.1 合金元素对Mg合金{10（?）0}柱面滑移系稳定性的影响

4.2 {10（?）0}柱面滑移系中,裂纹扩展对Mg合金强韧化的影响

4.2.1 计算模拟实验细节

4.2.2 模拟计算结果

4.3 合金元素对Mg合金{11（?）2}锥面滑移系稳定性的影响

4.4 {11（?）2}锥面滑移系中,裂纹扩展对Mg合金强韧化的影响

4.4.1 计算模拟实验细节

4.4.2 模拟计算结果

4.5 裂纹尺寸对非基面滑移系体系的内能的影响

4.6 本章小结

5 结论和展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 燕超

导师: 关绍康,王剑锋

关键词: 生物医用镁合金,第一性原理,强韧化,裂纹尺寸

来源: 郑州大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑,医药卫生科技

专业: 金属学及金属工艺,生物医学工程

单位: 郑州大学

分类号: TG146.22;R318.08

总页数: 72

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