CN111695252A - 一种掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，所述方法包括步骤：构建所述金属基体的初始基体模型；根据所述初始基体模型，构建第一非金属元素和所述金属基体组成的掺杂模型；根据所述掺杂模型，构建所述掺杂模型和第二非金属元素组成的吸附模型；计算所述掺杂模型和所述吸附模型的吸附能，并将二者比较。本发明的有益效果是：(i)提供了一种新型的金属材料耐腐蚀性能评估方法；(ii)相较于传统的实验方法，此方法的周期大大缩短，人力和资源的浪费得到很好的避免；(iii)仿真计算结果和实测值接近，准确度高。
Description
技术领域
本发明属于金属基体技术领域，具体涉及一种掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法。
背景技术
金属基体材料由于冶炼方便、加工容易、价格低廉，能够满足大多数的行业生产需求，因此被广泛应用；N等非金属原子对金属基体耐腐蚀性能的影响是至关重要的，也直接关系到我们对金属基体耐腐蚀机理本质的理解
传统的金属基体材料耐腐蚀性能研究方式是通过向金属基体中添加不同浓度的N等非金属元素，经过冶炼、轧制后获取目标实验样品，再开展实验室性能评估，整个研究周期不仅需要1个月到半年之久，而且还损耗大量的人力、物力，这严重制约了新材料的研发和推广。随着经济的发展和金属材料行业应用领域的进一步拓展，对新金属材料的开发和服役提出了更高的要求，不仅要求高质，而且要求高效。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，所述方法包括步骤：
构建所述金属基体的初始基体模型；
根据所述初始基体模型，构建第一非金属元素和所述金属基体组成的掺杂模型；
根据所述掺杂模型，构建所述掺杂模型和第二非金属元素组成的吸附模型；
计算所述掺杂模型和所述吸附模型的吸附能，并将二者比较。
优选地，所述构建所述金属基体的初始基体模型包括步骤：
获取所述金属基体的初始点阵常数；
将所述初始点阵常数导入第一性原理计算软件中；
所述第一性原理计算软件输出所述初始基体模型。
优选地，所述获取所述金属基体的初始点阵常数包括步骤：
获取所述金属基体的X-ray衍射数据；
将所述X-ray衍射数据导入Jade5图谱处理软件；
所述Jade5图谱处理软件输出所述初始点阵常数。
优选地，所述构建第一非金属元素和所述金属基体组成的掺杂模型包括步骤：
根据所述第一非金属元素原子数量、所述第二非金属元素原子数量和仿真实验精确度要求，确定所述金属基体的超胞尺寸大小；
基于第一性原理的密度泛函理论，将所述第一非金属元素原子和所述超胞掺杂，以得到掺杂超胞；
对所述掺杂超胞进行能量优化，以得到所述掺杂模型。
优选地，所述将所述第一非金属元素原子和所述超胞掺杂包括：根据所述超胞中金属原子三维点阵坐标，将所述第一非金属元素原子放入所述超胞的四面体间隙或八面体间隙中。
优选地，所述对所述掺杂超胞进行能量优化包括：设置所述掺杂超胞的原子运动为100、原子驰豫结束条件为-0.02、原子驰豫算法为2和原子驰豫方式为-2，以对所述掺杂超胞进行能量优化，并获取所述第一非金属元素原子最稳定的掺杂位置。
优选地，所述构建所述掺杂模型和第二非金属元素组成的吸附模型包括步骤：
获取所述第一非金属元素原子和所述金属基体经能量优化后的掺杂超胞；
将所述第二非金属元素原子设置于所述掺杂超胞中的吸附位置处，以得到吸附超胞；
对所述吸附超胞进行能量优化，以得到所述吸附模型。
优选地，所述吸附位置包括所述掺杂超胞中的顶位、穴位和桥位。
优选地，所述对所述吸附超胞进行能量优化包括：设置所述吸附超胞的原子运动为100、原子驰豫结束条件为-0.02、原子驰豫算法为2和原子驰豫方式为-2，以对所述吸附超胞进行能量优化，并获取所述第二非金属元素原子最稳定的吸附位置。
优选地，所述吸附能计算公式为：
Eads＝EA+B+E0-EA+B+0
其中，Eads表示所述第二非金属元素原子在吸附模型表面吸附时的吸附能；A代表所述第一非金属元素原子，B代表金属基体原子；EA+B表示没有吸附所述第二非金属元素原子时掺杂模型的总能量；E0表示孤立的所述第二非金属元素原子在真空中的能量；EA+B+0表示所述第二非金属元素原子吸附在掺杂模型表面后的总能量。
本发明的有益效果是：(i)提供了一种新型的金属材料耐腐蚀性能评估方法；(ii)相较于传统的实验方法，此方法的周期大大缩短，人力和资源的浪费得到很好的避免；(iii)仿真计算结果和实测值接近，准确度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是N原子在面心奥氏体铁基体单胞内的掺杂位置示意图；
图2是0原子在面心奥氏体铁基体单胞表面吸附位置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在本申请实施例中，本申请提供了一种掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，所述方法包括步骤：
构建所述金属基体的初始基体模型；
根据所述初始基体模型，构建第一非金属元素和所述金属基体组成的掺杂模型；
根据所述掺杂模型，构建所述掺杂模型和第二非金属元素组成的吸附模型；
计算所述掺杂模型和所述吸附模型的吸附能，并将二者比较。
本申请提供的一种掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，首先构造第一非金属元素和金属基体组成的掺杂模型，然后构造第二非金属元素与掺杂模型组成的吸附模型，并且计算吸附模型和掺杂模型的吸附能，通过对两个吸附能的比较判断掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能。下面对各步骤进行进一步详细描述。
在本申请实施例中，所述构建所述金属基体的初始基体模型包括步骤：
获取所述金属基体的初始点阵常数；
将所述初始点阵常数导入第一性原理计算软件中；
所述第一性原理计算软件输出所述初始基体模型。
在本申请实施例中，所述第一性原理计算软件为VASP 5.2。
在本申请实施例中，所述获取所述金属基体的初始点阵常数包括步骤：
获取所述金属基体的X-ray衍射数据；
将所述X-ray衍射数据导入Jade5图谱处理软件；
所述Jade5图谱处理软件输出所述初始点阵常数。
在其他一些实施例中，还可以通过查阅文献获取仿真实验所用的金属基体的初始点阵常数。
在本申请实施例中，所述构建第一非金属元素和所述金属基体组成的掺杂模型包括步骤：
根据所述第一非金属元素原子数量、所述第二非金属元素原子数量和仿真实验精确度要求，确定所述金属基体的超胞尺寸大小；
基于第一性原理的密度泛函理论，将所述第一非金属元素原子和所述超胞掺杂，以得到掺杂超胞；
对所述掺杂超胞进行能量优化，以得到所述掺杂模型。
在本申请实施例中，所述将所述第一非金属元素原子和所述超胞掺杂包括：根据所述超胞中金属原子三维点阵坐标，将所述第一非金属元素原子放入所述超胞的四面体间隙或八面体间隙中。
在本申请实施例中，所述对所述掺杂超胞进行能量优化包括：设置所述掺杂超胞的原子运动为100、原子驰豫结束条件为-0.02、原子驰豫算法为2和原子驰豫方式为-2，以对所述掺杂超胞进行能量优化，并获取所述第一非金属元素原子最稳定的掺杂位置。然后选择若干个第一非金属元素原子放置于掺杂位置处。
在本申请实施例中，所述构建所述掺杂模型和第二非金属元素组成的吸附模型包括步骤：
获取所述第一非金属元素原子和所述金属基体经能量优化后的掺杂超胞；
将所述第二非金属元素原子设置于所述掺杂超胞中的吸附位置处，以得到吸附超胞；
对所述吸附超胞进行能量优化，以得到所述吸附模型。
在本申请实施例中，所述吸附位置包括所述掺杂超胞中的顶位、穴位和桥位。其中，顶位为金属原子的上方(top，记为T)；穴位为四个表面金属原子围成的空穴点(hollow，记为H)；桥位为两个表面金属原子之间的桥点(bridge，记为B)。
在本申请实施例中，所述对所述吸附超胞进行能量优化包括：设置所述吸附超胞的原子运动为100、原子驰豫结束条件为-0.02、原子驰豫算法为2和原子驰豫方式为-2，以对所述吸附超胞进行能量优化，并获取所述第二非金属元素原子最稳定的吸附位置。然后选择若干个第二非金属元素原子放置于吸附位置处。
在本申请实施例中，所述吸附能计算公式为：
Eads＝EA+B+E0-EA+B+0
其中，Eads表示所述第二非金属元素原子在吸附模型表面吸附时的吸附能；A代表所述第一非金属元素原子，B代表金属基体原子；EA+B表示没有吸附所述第二非金属元素原子时掺杂模型的总能量；E0表示孤立的所述第二非金属元素原子在真空中的能量；EA+B+0表示所述第二非金属元素原子吸附在掺杂模型表面后的总能量。
下面结合图1和2对本申请提供的方法进行详细描述。在本申请实施例中，金属基体为面心奥氏体Fe基体，第一非金属元素为N元素，第二非金属元素为0元素，步骤如下：
(1)参考文献可知，面心奥氏体铁的初始点阵常数(晶格常数)
(2)将初始点阵常数
导入第一性原理计算软件VASP 5.2，构建初始基体模型；
(3)在此仿真实验中，掺杂氮原子个数依次为1、2、3和4(也即0N、1N、2N和3N)，吸附氧原子个数为1个，计算精度为medium(中等)，因此设置超胞大小为3×3×4，其中超胞厚度方向为4个原子层；
(4)如图1，超胞中可掺杂N原子的位置有3个，经松弛优化后得N原子最稳定的掺杂位置为表层八面体间隙，此后模型中的N原子均掺杂于表层八面体间隙；
(5)如图2，超胞表面0原子可吸附的位置有3个，经松弛优化后得0原子最稳定的吸附位置为hollow(穴位)位置，此后模型中的0原子均吸附于hollow位置；
(6)设置平面波截止能Ecut＝350eV，Monkhorst-pack的K网格点为4×4×4，NSW＝0，加入自旋极化，使用DFT-GGA模型对优化后的晶格静态能量值进行计算，并使用吸附能计算公式获取掺杂0N、1N、2N和3N时基体对氧原子的吸附能依次为6.32eV、10.48eV、10.21eV和7.55eV。
从吸附能测量结果可以看出，随着N原子掺杂浓度的提高，吸附能先增加后降低，但是掺杂N原子之后吸附能的最低值仍高于不掺杂N原子时基体对氧原子的吸附能值，这说明N原子的加入能够提高面心奥氏体铁基体表面钝化膜的形成和基体耐腐蚀性能的提高，但是N原子的含量不是越高越好。研究文献[1](陆世英.不锈钢概论[M].北京：化学工业出版社，2013)和[2](LEI M K，ZHU X M.Role of Nitrogen in Pitting CorrosionResistance of a High-Nitrogen Face-Centered-Cubic Phase Formed on AusteniticStainless Steel[J].Journal of The Electrochemical Society.，2005，152(8)：B291-B295)从实验角度给出了不同N浓度时面心奥氏体铁基体表面钝化膜的组成，间接的印证了本申请提供的实验方法所得结果的准确性。
本发明的有益效果是：(i)提供了一种新型的金属材料耐腐蚀性能评估方法；(ii)相较于传统的实验方法，此方法的周期大大缩短，人力和资源的浪费得到很好的避免；(iii)仿真计算结果和实测值接近，准确度高。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
构建所述金属基体的初始基体模型；
根据所述初始基体模型，构建第一非金属元素和所述金属基体组成的掺杂模型；
根据所述掺杂模型，构建所述掺杂模型和第二非金属元素组成的吸附模型；
计算所述掺杂模型和所述吸附模型的吸附能，并将二者比较。
2.根据权利要求1所述的掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，其特征在于，所述构建所述金属基体的初始基体模型包括步骤：
获取所述金属基体的初始点阵常数；
将所述初始点阵常数导入第一性原理计算软件中；
所述第一性原理计算软件输出所述初始基体模型。
3.根据权利要求2所述的掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，其特征在于，所述获取所述金属基体的初始点阵常数包括步骤：
获取所述金属基体的X-ray衍射数据；
将所述X-ray衍射数据导入Jade5图谱处理软件；
所述Jade5图谱处理软件输出所述初始点阵常数。
4.根据权利要求1所述的掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，其特征在于，所述构建第一非金属元素和所述金属基体组成的掺杂模型包括步骤：
根据所述第一非金属元素原子数量、所述第二非金属元素原子数量和仿真实验精确度要求，确定所述金属基体的超胞尺寸大小；
基于第一性原理的密度泛函理论，将所述第一非金属元素原子和所述超胞掺杂，以得到掺杂超胞；
对所述掺杂超胞进行能量优化，以得到所述掺杂模型。
5.根据权利要求4所述的掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，其特征在于，所述将所述第一非金属元素原子和所述超胞掺杂包括：根据所述超胞中金属原子三维点阵坐标，将所述第一非金属元素原子放入所述超胞的四面体间隙或八面体间隙中。
6.根据权利要求4所述的掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，其特征在于，所述对所述掺杂超胞进行能量优化包括：设置所述掺杂超胞的原子运动为100、原子驰豫结束条件为-0.02、原子驰豫算法为2和原子驰豫方式为-2，以对所述掺杂超胞进行能量优化，并获取所述第一非金属元素原子最稳定的掺杂位置。
7.根据权利要求1所述的掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，其特征在于，所述构建所述掺杂模型和第二非金属元素组成的吸附模型包括步骤：
获取所述第一非金属元素原子和所述金属基体经能量优化后的掺杂超胞；
将所述第二非金属元素原子设置于所述掺杂超胞中的吸附位置处，以得到吸附超胞；
对所述吸附超胞进行能量优化，以得到所述吸附模型。
8.根据权利要求7所述的掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，其特征在于，所述吸附位置包括所述掺杂超胞中的顶位、穴位和桥位。
9.根据权利要求7所述的掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，其特征在于，所述对所述吸附超胞进行能量优化包括：设置所述吸附超胞的原子运动为100、原子驰豫结束条件为-0.02、原子驰豫算法为2和原子驰豫方式为-2，以对所述吸附超胞进行能量优化，并获取所述第二非金属元素原子最稳定的吸附位置。
10.根据权利要求1所述的掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法，其特征在于，所述吸附能计算公式为：
Eads＝EA+B+E0-EA+B+0
其中，Eads表示所述第二非金属元素原子在吸附模型表面吸附时的吸附能；A代表所述第一非金属元素原子，B代表金属基体原子；EA+B表示没有吸附所述第二非金属元素原子时掺杂模型的总能量；E0表示孤立的所述第二非金属元素原子在真空中的能量；EA+B+0表示所述第二非金属元素原子吸附在掺杂模型表面后的总能量。
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| Yang et al. | Comparison of particle size characteristics of the Tertiary ‘red clay’and Pleistocene loess in the Chinese Loess Plateau: implications for origin and sources of the ‘red clay’ | |
| He et al. | Comparisons of cropland area from multiple datasets over the past 300 years in the traditional cultivated region of China | |
| Liu et al. | Synergistic effect of Al2O3 inclusion and pearlite on the localized corrosion evolution process of carbon steel in marine environment | |
| CN113313296A (zh) | 一种基于rusle的区域土壤侵蚀定量评价方法 | |
| CN112084619B (zh) | 一种掺杂合金元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法 | |
| Dong et al. | Electrochemical behavior of 304 stainless steel in marine atmosphere and its simulated solution | |
| Zhang et al. | Effects of nonlinear terms and topography in a storm surge model along the southeastern coast of China: a case study of Typhoon Chan-hom | |
| CN111695252A (zh) | 一种掺杂非金属元素的金属基体耐腐蚀性能研究仿真方法 | |
| Liu et al. | Corrosion fatigue-cracking behaviors of low alloy steels in seawater for offshore engineering structures | |
| Long et al. | A new dual magnetic sensor probe for lift-off compensation in magnetic flux leakage detection | |
| Qiao et al. | Quantitative monitoring of pitting corrosion based on 3-D cellular automata and real-time ENA for RC structures | |
| Yang et al. | Interannual trends in stable oxygen isotope composition in precipitation of China during 1979–2007: Spatial incoherence | |
| Chung et al. | Comparison of response surface methodologies and artificial neural network approaches to predict the corrosion rate of carbon steel in soil | |
| Li et al. | Evaluating the corrosion resistance of marine steels under different exposure environments via machine learning | |
| CN108362768A (zh) | 一种应力非接触弱磁检测方法 | |
| Sheng et al. | Paleomagnetic secular variation and relative paleointensity during the Holocene in South China—Huguangyan Maar Lake revisited | |
| Man et al. | Characterization of the outer layer nanostructure in the electrochemical response of stainless steel in aqueous sodium hydroxide | |
| Qin et al. | An imputation method for the climatic data with strong seasonality and spatial correlation | |
| Zhang et al. | Electrochemical noise analysis on the crevice corrosion behavior of Ni–Cr–Mo–V high strength steel using recurrence plots | |
| Bai et al. | Effect of temperature on the electrochemical corrosion behavior of X80 steel in silty soil containing sodium chloride | |
| Tian et al. | Quantitative assessment of variability and uncertainty of hazardous trace element (Cd, Cr, and Pb) contents in Chinese coals by using bootstrap simulation | |
| Crolet | Analysis of the various processes downstream cathodic hydrogen charging, V: Dissolved hydrogen, dislocations and dislocation drag-Metallurgical modelling V dislocations | |
| Tema et al. | Archaeointensity determinations from Italy: new data and the Earth's magnetic field strength variation over the past three millennia | |
| CN111487185A (zh) | 一种模拟镀锌钢大气腐蚀过程的方法 | |
| Chen et al. | Key natural impacting factors of China’s human population distribution |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200922 |