基于第一性原理医用镁合金的强韧化研究

发布时间：2023-01-08 15:58

　　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... 

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
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


【参考文献】：
期刊论文
[1]钇含量对Mg-Y合金组织及力学性能的影响[J]. 田爽,张诗昌,熊九郎,张健.  轻合金加工技术. 2018(09)
[2]Er对镁合金固溶强化作用的第一性原理研究[J]. 刘子利,王文静,刘希琴,刘洋,王渠东.  南京航空航天大学学报. 2016(04)
[3]镁合金塑性变形机制及动态再结晶研究进展[J]. 李立云,曲周德.  机械研究与应用. 2015(06)
[4]镁合金在生物医用材料领域的应用及发展前景[J]. 张佳,宗阳,付彭怀,袁广银,丁文江.  中国组织工程研究与临床康复. 2009(29)
[5]镁及镁合金动态再结晶研究进展[J]. 刘楚明,刘子娟,朱秀荣,周海涛.  中国有色金属学报. 2006(01)

博士论文
[1]基于第一性原理和分子动力学的镁合金强韧化基础研究[D]. 豆雨辰.重庆大学 2015



本文编号：3728763