基于第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)的鎂合金強(qiáng)韌化基礎(chǔ)研究.pdf

1、交通工具、航空航天設(shè)備輕量化有利于減少溫室氣體的排放。鎂的密度約為鋁合金的2/3，鋼鐵的1/4，有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于鎂合金面臨著塑性較低和強(qiáng)度較低的雙重問(wèn)題，以致其使用量遠(yuǎn)不及鋼鐵和鋁合金。從微觀層次來(lái)看，材料的塑性和強(qiáng)度取決于位錯(cuò)的滑移、孿晶的演變以及裂紋的擴(kuò)展。
　　從改善塑性的角度?？梢酝ㄟ^(guò)添加合金元素，調(diào)控鎂合金的廣義層錯(cuò)能、裂紋形成能，進(jìn)而影響其位錯(cuò)行為和裂紋行為。本文探討了第一性原理計(jì)算過(guò)程中，弛豫參數(shù)對(duì)廣義

2、層錯(cuò)能計(jì)算結(jié)果的影響。然后基于第一性原理，模擬了鎂合金中合金元素對(duì)廣義層錯(cuò)能的影響（涉及到的滑移系包括：{0001}<10(1)0>、{1(1)00}<11(2)0>、{11(2)2}<11(2)3>），對(duì)I1層錯(cuò)能的影響，以及對(duì){0001}表裂紋形成能的影響。并基于模擬結(jié)果，討論了合金元素對(duì)鎂合金變形模式的影響。包括：基面位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)模式、非基面位錯(cuò)開啟的難易程度、模式I下的本征塑性。
　　從提高強(qiáng)度的角度。鎂合金中最容易開啟的變

3、形模式為基面位錯(cuò)和{10(1)2}孿晶。傳統(tǒng)的強(qiáng)化方案大多是從阻礙基面滑移的角度入手，關(guān)于{10(1)2}孿晶的強(qiáng)化機(jī)制研究得不多。本文從第一原理的角度，模擬了合金元素的{10(1)2}孿晶偏聚能以及擴(kuò)散激活能，討論了利用合金元素對(duì){10(1)2}孿晶進(jìn)行強(qiáng)化的潛力。另外，從分子動(dòng)力學(xué)的角度研究了{(lán)10(1)2}孿晶界面的演變，以及基面層錯(cuò)對(duì){10(1)2}孿晶的阻礙作用，探討了利用基面層錯(cuò)對(duì){10(1)2}孿晶進(jìn)行強(qiáng)化的可能性。

4、>　　主要結(jié)論如下：
　　①為了對(duì)廣義層錯(cuò)能進(jìn)行相對(duì)精確的模擬，需要引入沿z方向（垂直于滑移面）的弛豫，特別是對(duì)于晶面間距較小的滑移系，也就是高指數(shù)面。如果滑移方向兩邊的原子分布不對(duì)稱（例如：{11(2)2}<11(2)3>滑移系），需要引入沿y方向（在滑移面內(nèi)同時(shí)垂直于滑移方向）的弛豫。
　?、诤辖鹪谹g、Al、Dy、Er、Gd、Ho、Lu、Mn、Nd、Sc、Sm、Y、Zn、Zr可明顯升高基面的裂紋形成能，有利于抑制裂紋

5、的擴(kuò)展。合金元素Al、Bi、Ca、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、In、Lu、Nd、Pb、Sm、Sn、Y、Yb可明顯降低I1層錯(cuò)能，有利于提高 I1層錯(cuò)的密度，也就是說(shuō)可以通過(guò)增加{11(2)2}<11(2)3>位錯(cuò)形核點(diǎn)的方式來(lái)改善塑性，同時(shí)還能從阻礙{10(1)2}孿晶的角度來(lái)增加強(qiáng)度。對(duì)于{0001}<10(1)0>滑移系，合金元素Al、Bi、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、In、Lu、Nd、Pb、Sc、Sm、Sn、Y、Yb、Zr使得

6、基面位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)模式傾向于連續(xù)錯(cuò)排機(jī)制，可以提高 I2層錯(cuò)的密度，也就是說(shuō)可以從阻礙{10(1)2}孿晶的角度來(lái)增加強(qiáng)度。對(duì)于{1(1)00}<11(2)0>滑移系，合金元素Ca、Dy、Er、Gd、Ho、Lu、Nd、Sm、Y、Yb
　　顯著降低其非穩(wěn)定層錯(cuò)能，意味添加這些合金元素有利于降低該滑移系的臨界分切應(yīng)力。對(duì)于{11(2)2}<11(2)3>滑移系，考察了合金元素對(duì)其分解行為的影響、對(duì)形核點(diǎn)數(shù)量的影響、對(duì)形核難度的影響、以及位

7、錯(cuò)形核與裂紋擴(kuò)展之間的競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)現(xiàn)合金元素 Ag、Al、Ca、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、Li、Lu、Nd、Sm、Y、Yb、Zn有利于{11(2)2}<11(2)3>滑移系的開啟并提高鎂合金的本征塑性。
　?、劬C合考慮了合金元素在{10(1)2}孿晶界面的偏聚能和擴(kuò)散激活能，構(gòu)建了孿晶偏聚強(qiáng)化設(shè)計(jì)圖（圖5.6）。該圖左下角的元素體現(xiàn)較強(qiáng)的孿晶偏聚強(qiáng)化潛力，包括Nd、Sm、Gd、Dy和Yb。
　?、芴接懥薆P界面的形核和長(zhǎng)大機(jī)

8、理。由于鎂合金中{10(1)2}孿晶位錯(cuò)的柏氏矢量較?。s為～0.498(A)），所以孿晶位錯(cuò)滑移到自由表面后不能“離開”晶格并在表面形成一個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)而形成BP界面。在接下來(lái)的變形過(guò)程中，伴隨著更多孿晶位錯(cuò)的達(dá)到，BP界面可通過(guò)吸納孿晶位錯(cuò)而變寬。
　?、菰谳^大規(guī)模體系下（～200萬(wàn)個(gè)原子），分析了孿晶位錯(cuò)（bTB）和BP界面位錯(cuò)（bBP）的形態(tài)。結(jié)果表明，這兩種位錯(cuò)都能在滑移過(guò)程中發(fā)生彎曲而呈弧形，這意味著和基體位錯(cuò)類似，bTB