高熵合金的磁性、相变机理及力学性能的理论研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51401014
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0104.金属结构材料与力学行为
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Due to unique microstructures and special performances, such as high strength, good wear, corrosion resistance, and thermophysical properties, high-entropy alloys (HEAs) have attracted increasing attention in experiments. The traditional alloy theory is used to predict the phase formation of HEAs, whereas theoretical studies on the fundamentals are particularly lacking. In calculations of the electronic structure of HEAs, the large supercell has to be constructed in the first-principles method based on Bloch theorem. Moreover the random chemical compositions do not be satisfied. Employing ab initio alloy method, coherent potential approximations (CPA) in combination with the Exact Muffin-tin Orbitals (EMTO), we can calculate the electronic structure of HEAs to investigate the structural and mechanical properties for the 3d-transition metal and refractory-metal HEAs, and compare our results with the available experiments. First the magnetic properties of HEAs composed of 3d transitional elements are investigated. Via the total energy of HEAs including magnetic entropy and vibrational entropy, we study the solid-solution phase and the fcc-bcc phase transition induced by the increased Al content. Second we use the elastic mechanics to calculate the elastic constants of cubic phase, further to get the polycrystalline elastic moduli, including bulk modulus, Young's modulus, shear modulus and ductility as well as the anisotropy and the ideal strength for two-type HEAs. Third we investigate the effect of the ordered element distribution on the magnetic property and mechanical performance. Forth using the Chen-Möbius inversion method, we extract the interlayer potentials along the special direction in HEAs and use the inversed potentials to calculate the common stacking fault energy, the interaction between different stacking faults, interface energy, and surface energy. The calculations derived from the quantum theorem are helpful to accelerate the predication of the low stacking fault energy induced high-ductility HEAs that naturally exhibit high mechanical strength.
高熵合金(HEAs)具有独特的微结构、高强度、耐磨性、耐腐蚀、热物理等性能,已得到广泛的实验研究。虽然人们利用传统合金理论对HEAs的形成特征进行归类总结,以揭示其形成规律,但HEAs的基础理论研究还相当缺乏,特别是电子结构。基于Bloch定理的第一性原理需要构建较大的超胞,且不能达到任意摩尔比。采用相干势近似(CPA)结合精确饼模轨道(EMTO)方法,从电子结构出发,研究3d过渡金属和难熔金属两类HEAs,观察3d-HEAs的磁性;研究固溶体结构,揭示铝掺杂引起3d-HEAs的fcc-bcc相变机理;分析力学性能,包括弹性常数、多晶弹性模量、塑性、各向异性及理想强度等;研究合金元素分布有序性对磁性和力学性能的影响。结合Chen-Möbius反演方法,发展层间相互作用势,计算HEAs的各种层错能、层错间相互作用、界面能及表面能等面缺陷能。探索低层错能所诱导的良好塑性和具有高强度的高熵合金。

结项摘要

突破传统合金设计理念,高熵合金的研究为合金的发展提供了更广阔的空间。自2004年高熵合金被提出以来,就备受材料科学和凝聚态物理领域的研究人员关注。10余年间,高熵合金的实验研究出现了井喷式发展,而在理论方面,特别是源于量子力学的计算模拟研究相当有限。其主要原因是基于Bloch定理的第一性原理方法并不能用于处理无序合金。常规的第一性原理方法在处理复杂合金时,需要构建占用大量计算资源的较大超胞,且在化学成分上也不能达到任意摩尔比,如等摩尔比五元高熵合金不能通过超胞实现。虽可以通过特殊结构方法,即special quasi-random structure (SQS) 来模拟固溶体,但目前此方法主要应用于二元或三元合金,对于多组元合金的关联函数难以匹配,且对于顺磁态的计算较为困难,因此,关于高熵合金的电子结构、磁性、微结构及力学性能的报道有限。.从第一性原理的精确饼模轨道结合相干势近似 (EMTO-CPA) 计算高熵合金的电子结构出发,结合弹性力学理论和Chen-Möbius 反演方法,针对高熵合金特别关注的磁性、微结构、fcc--bcc 相变、力学性能及与材料中特殊面簇相关的层错能等方面,开展对3d和refractory-两类HEAs的具体研究。同时,基于状态方程和弹性参数,采用准简谐近似的方法,计算并建立了二类典型高熵合金的热力学性质及热学参量,并与实验进行了对比,对计算结果的系统性偏差进行了修正并建立了实用的模型。.通过对大量高熵合金的实验结果收集及与实验课题组的深入讨论和分析,总结了目前实验上已经报道的具有单相高熵合金的基本特征并结合第一性原理计算预测了具有良好内禀塑性的高熵合金。针对3d和refractory-HEAs,使用第一性原理的EMTO-CPA计算方法,确定了典型高熵合金的计算参数,特别是3d-HEAs在不同磁态下的计算参数设置。与实验测量对比表明,计算和预测的弹性模量相当可靠。进而,进行了相稳定性、弹性力学和热力学参量等物性的计算。.从电子结构层次为3d-HEAs的宏观磁性提供理论指导;澄清了近程效应对弹性参数的影响;确定实验上不易准确测量单晶高熵合金的力学参数;结合设计具有高强度且良好内禀塑性的高熵合金。

项目成果

期刊论文数量(15)
专著数量(2)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Ab initio-predicted micro-mechanical performance of refractory high-entropy alloys.
难熔高熵合金的从头预测微观机械性能
  • DOI:
    10.1038/srep12334
  • 发表时间:
    2015-07-22
  • 期刊:
    Scientific reports
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Li X;Tian F;Schönecker S;Zhao J;Vitos L
  • 通讯作者:
    Vitos L
Elastic and thermal properties of refractory high-entropy alloys from first-principles calculations
基于第一性原理计算的难熔高熵合金的弹性和热性能
  • DOI:
    10.1016/j.commatsci.2016.11.035
  • 发表时间:
    2017-02-15
  • 期刊:
    COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Ge, Huijuan;Tian, Fuyang;Wang, Yang
  • 通讯作者:
    Wang, Yang
Temperature dependent stacking fault energy of FeCrCoNiMn high entropy alloy
FeCrCoNiMn 高熵合金的温度依赖性堆垛层错能
  • DOI:
    10.1016/j.scriptamat.2015.05.041
  • 发表时间:
    2015-11-01
  • 期刊:
    SCRIPTA MATERIALIA
  • 影响因子:
    6
  • 作者:
    Huang, Shuo;Li, Wei;Vitos, Levente
  • 通讯作者:
    Vitos, Levente
Impact of aluminum doping on the thermo-physical properties of refractory medium-entropy alloys
铝掺杂对难熔中熵合金热物理性能的影响
  • DOI:
    10.1063/1.4973489
  • 发表时间:
    2017-01
  • 期刊:
    Journal of Applied Physics
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Tian Fuyang;Wang Yang;Vitos Levente
  • 通讯作者:
    Vitos Levente
Calculating elastic constants in high-entropy alloys using the coherent potential approximation: Current issues and errors
使用相干势近似计算高熵合金中的弹性常数:当前问题和错误
  • DOI:
    10.1016/j.commatsci.2015.09.058
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Computational Materials Science
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Tian Fuyang;Varga Lajos Karoly;Shen Jiang;Vitos Levente
  • 通讯作者:
    Vitos Levente

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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