Mg-Al基強化相及固溶體結(jié)構(gòu)和性能的第一性原理研究.pdf

1、鎂合金是最輕的工程結(jié)構(gòu)材料，具有密度小，比強度和比剛度高，導(dǎo)熱性好，電磁屏蔽效應(yīng)好等一系列獨特優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、3C等相關(guān)行業(yè)。然而，隨著鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴展，普通鎂合金的性能已難以滿足日益苛刻的使用環(huán)境。鎂合金還存在著顯著的缺點，其中有限的力學(xué)性能已經(jīng)成為眾多問題中最顯著的一個，如高溫力學(xué)性能差、室溫塑性低等。合金化是改善鎂合金力學(xué)性能的有效途徑，因此研究合金元素對Mg基合金性能的影響具有重要的現(xiàn)實意義。
　　本文

2、采用第一性原理方法研究了鎂基二元固溶體Mg-R（R=Al, Zn, Ca, Li, Y, Sc）的電子結(jié)構(gòu)、彈性和熱性能；MgxAl4-xSr和Mg17-xAlxSr2的結(jié)構(gòu)、電子、彈性及熱性能；Mg-Al-R（R=Ca、Sr、Y、Bi）系二元析出相的結(jié)構(gòu)、電子、彈性性能以及壓力對Al2Ca、Al4Sr、MgRe（Re=Y, Sc）電子、彈性及熱性能的影響等。研究對鎂合金設(shè)計和優(yōu)化起了一定的理論指導(dǎo)作用，并且提供了在實驗中無法獲得的一些

3、性能參數(shù)。得到如下結(jié)論：
　　計算了鎂基二元固溶體Mg-R（R=Al, Zn, Ca, Li, Y, Sc）的電子結(jié)構(gòu)、彈性和熱性能。結(jié)合能計算結(jié)果表明：Mg-Sc合金具有最高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過態(tài)密度（DOS）和電荷差分密度的計算，分析 Mg固溶體的成鍵本質(zhì)，計算結(jié)果表明：Mg-Y(Sc)合金由于Y(Sc) d和Mg p之間強的雜化現(xiàn)象具有較強的共價鍵。通過Voigt-Reuss-Hill(VRH)方法計算了體模量B、剪切模量G、

4、楊氏模量E和泊松比ν，結(jié)果表明：當(dāng)固溶度為2.77 at.％時，所有合金均為可延性，且 Mg-Zn(Li)合金的延展性和塑性較好，Mg-Sc的硬度最大?；趶椥猿?shù)，根據(jù)平均彈性波速估算了德拜溫度，結(jié)果顯示：Mg-Sc的力學(xué)穩(wěn)定性最好。
　　計算了MgxAl4-xSr相的結(jié)構(gòu)、電子、彈性及熱性能。形成熱和結(jié)合能的計算結(jié)果表明：在Al4Sr晶胞中兩個不同的晶格位置Al(4d)和Al(4e)之間，Mg更傾向于取代Al4Sr晶格中Al(

5、4d)的位置；且隨著鎂含量的增加削弱了合金的合金化能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過態(tài)密度的計算，分析了合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的潛在機制，結(jié)果表明：Al4Sr具有最高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性歸因于體系在費米能級以下區(qū)域成鍵電子存在較強的共價鍵作用。通過彈性常數(shù)估算了合金的體模量、剪切模量、楊氏模量和彈性各向異性，分析和討論了各相的力學(xué)性能，結(jié)果表明：隨Mg含量，即x的增加，MgxAl4-xSr的硬度增大，而塑性逐漸變差；Al4Sr、MgAl(4d)Al7Sr2和Mg2

6、Al(4d)Al6Sr2相均呈可延性；Mg2Al(4d)Al6Sr2(x=1)的各向異性程度更大。熱力學(xué)性質(zhì)計算結(jié)果表明：固溶體在熱力學(xué)上比純Al4Sr相更穩(wěn)定，且在298～573K，固溶體的熱穩(wěn)定性隨著鎂含量的增加逐漸減小。德拜溫度計算結(jié)果表明：Mg2Al(4d)Al6Sr2力學(xué)穩(wěn)定性最好。
　　計算了Mg17-xAlxSr2相的結(jié)構(gòu)、電子、彈性及熱性能。形成熱和結(jié)合能的計算結(jié)果表明：隨著Al含量的增加削弱了合金的合金化能力，A

7、l在Mg17Sr2中的固溶量有限；在Mg(12k)和Mg(12j)晶格位置之間，Al原子更傾向于替換Mg(12k)位置；且隨著固溶量的增大，Mg17-xAlxSr2的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好。態(tài)密度的計算結(jié)果表明：合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的原因主要源于費米能級以下更多的成鍵電子。彈性性能的計算結(jié)果表明：隨著 Al含量的增加，Mg17-xAlxSr2的硬度增大，而塑性降低；Mg17Sr2呈延性，其它三元固溶體均為脆性相。德拜溫度的計算結(jié)果表明：Mg22Al

8、12Mg(12k)Sr4的力學(xué)穩(wěn)定性最好。
　　計算了Mg17Al12、Al2Ca和Al4Sr相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和彈性性能。優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)與可獲得的實驗值和其它理論值相一致。形成熱和結(jié)合能的計算結(jié)果表明：Al2Ca具有最強的合金化能力，Al4Sr具有最高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。態(tài)密度、布居電子數(shù)和電荷差分密度的計算結(jié)果表明：Al4Sr具有較高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要源于體系在費米能級以下成鍵電子存在較強的共價鍵作用。彈性性能計算結(jié)果表明：Mg1

9、7Al12和Al2Ca相都是脆性相，Al4Sr相具有延展性；且Al2Ca相硬度最高，Al4Sr相塑性最好。計算和討論了Gibbs自由能，結(jié)果表明：在298～573K，Al2Ca和Al4Sr相比Mg17Al12相更穩(wěn)定，即在Mg-Al系合金中加入Ca或Sr可提高合金的耐熱性。
　　計算了Mg17Al12、Al2Y以及Mg3Bi2相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和彈性性能。形成熱和結(jié)合能的計算結(jié)果表明：Al2Y具有最強的合金化形成能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)

10、定性。態(tài)密度的計算結(jié)果表明：Mg-Al系合金中相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高的主要原因是Y和Bi合金化后，體系費米能級以下低能級區(qū)成鍵電子數(shù)的增多。熱力學(xué)的計算結(jié)果表明：在298~573K溫度范圍內(nèi)，Al2Y相的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性最好；溫度低于550K時，Mg3Bi2相的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性好于Mg17Al12相，即Y和Bi合金化Mg-Al系合金由于形成Al2Y和Mg3Bi2利于提高鎂合金的高溫抗蠕變性能。采用彈性常數(shù)計算結(jié)果預(yù)測的Al2Y熔點最高，其結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性

11、最好。彈性性能的計算結(jié)果表明：Mg17Al12和Al2Y均為脆性相，Mg3Bi2呈可延性；且3種金屬間化合物中，Al2Y的硬度最高，Mg3Bi2的塑性最好。
　　計算了壓力下Al2Ca和Al4Sr的電子、彈性及熱性能。彈性性能的計算結(jié)果表明：0~50 GPa下，隨壓力增大，Al2Ca和Al4Sr相彈性常數(shù)Cij、體模量B、剪切模量G、楊氏模量E均增大，材料的硬度增大；增大壓力可改善Al2Ca相塑性和延性，但對于Al4Sr相，當(dāng)P為

12、10 GPa左右時，塑性和延性出現(xiàn)低點，繼續(xù)增加壓力，塑性延性得到改善；與Al4Sr相比，Al2Ca相始終具有更高的硬度，但塑性和延性較差。態(tài)密度和Mulliken電子占據(jù)數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)，隨著壓力的增加，Al2Ca和Al4Sr相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性先變差后增強，但在此壓力范圍內(nèi)，Al2Ca和Al4Sr相結(jié)構(gòu)仍然是穩(wěn)定的，沒有發(fā)生相的轉(zhuǎn)變；且Al4Sr相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性始終好于 Al2Ca；隨壓力的增大，離子鍵作用均減弱。熱學(xué)性能的計算結(jié)果表明：隨著壓力

13、的增大，Al2Ca和Al4Sr相熱穩(wěn)定性降低。兩相的德拜溫度均隨著壓力的增大而增大，且Al2Ca相的德拜溫度始終大于Al4Sr相。
　　計算了壓力下MgRe（Re=Y、Sc）的結(jié)構(gòu)、電子及彈性性能。彈性性能的計算結(jié)果表明：0~50 GPa下，增加壓力可以提高MgRe相的硬度、延性和塑性等，但過大的外部壓力會對其力學(xué)性能產(chǎn)生一定的負面影響；壓力小于40 GPa時，MgY相塑性優(yōu)于MgSc相，而硬度低于MgSc相。由態(tài)密度與Mulli

14、ken電子占據(jù)數(shù)的計算結(jié)果分析，隨壓力的增大，MgY和MgSc的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均增加，且MgY的穩(wěn)定性始終好于MgSc相；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原因主要源于體系存在強烈的共價鍵和離子鍵作用。但通過Gibbs自由能計算結(jié)果顯示，隨壓力的增大，MgY和MgSc的熱穩(wěn)定性降低。德拜溫度的計算結(jié)果表明：MgY和MgSc相的德拜溫度隨壓力的增大而增大，壓力大于40GPa時，MgSc德拜溫度略有降低；且壓力小于45GPa時，MgSc相的德拜溫度大于MgY相，主要是