金属Mg的基面层错及虚拟长周期序结构的相转换第一性原理研究

发布时间：2017-10-12 16:09

  本文关键词：金属Mg的基面层错及虚拟长周期序结构的相转换第一性原理研究

  更多相关文章： 金属Mg 基面层错 长周期堆垛序结构 相转换机制 第一性原理计算

【摘要】：众所周知,在稳定状态下材料所具有的微观结构对其所表现出来的功能特性有很大的决定作用。然而,在实际应用领域完美的晶格结构是不存在的。也就是说,在实际的工业应用领域所研究的材料的微观结构中总是存在一些缺陷。一般而言,材料中存在的缺陷通常有:点缺陷(位错)、线缺陷(层错)及面缺陷,这些缺陷的存在在一定程度上也会影响结构的力学性能。其中位错是材料中最基本的一种缺陷,并且层错的形成也会与部分位错的滑移有着密切的关系。在相关的研究领域,人们对材料中位错的研究已经达到了相当深入的层次。然而,有些材料中层错的研究处于初步探索的阶段。因此,为了进一步研究材料中层错的一些性质,我们主要选取金属Mg作为研究对象。本文主要研究了金属Mg中的基本基面层错和长周期堆垛序列结构,其中长周期堆垛序列结构本质上就是由基面层错所组成的多层错序列结构,也是当前在实验上和理论是致力于探索和研究的一类新型的微观结构。长周期堆垛序列结构的发现不仅在很大程度上改善了Mg及其合金塑性差的这一力学性能,同时也为其在现代工业领域进一步的应用起到了促进和拓展的作用。具体的内容如下:(1)基面层错及其相互转换机制基于密度泛函理论上的第一性原理计算,我们从理论的角度对金属Mg中的基面层错(I_1、I_2、E和T2)做了详细的研究,并得出了这些基面层错的稳定层错能和不稳定层错能。通过与先前的理论值和实验值相比较,我们的计算结果与之吻合的很好。另外,我们还研究了基面层错之间的想换转换机制。通过分析相转换过程中所伴随的广义层错能曲线的变化趋势及其相应的原子滑移示意图,我们发现相转换过程中所跨过的能量势垒的大小与原子滑移过程中相邻原子层之间原子的排列情况有关。同时,由能量曲线的变化情况来看,同一种转换机制的正逆两个方向上的相转换所对应的能量势垒的大小是不同的。例如:I_1?E的相转换过程跨过的势垒大小是0.073 J/m2,而实现E?I_1的相转换所跨越的能量势垒是0.56J/m2,这说明转换机制E?I_1的实现过程要比I_1?E的实现过程困难一些。(2)长周期堆垛序结构之间相转变的转换路径通过第一性原理的研究,我们主要研究了长周期堆垛序列Mg之间的相互转换机制。通过对各种长周期堆垛序列结构的堆垛特征的仔细观察,并结合密排六方(hcp)金属晶格结构的滑移特性,我们在理论上系统地研究了这些长周期序列结构之间发生相转换的具体的转换路径,并给出了转换路径下相应的原子滑移示意图。在此过程中,我们主要以实现相应相转换过程的转换路径所对应的广义层错能曲线的变化情况来研究相应的转换机制。与此同时,我们还讨论了真空层对长周期堆垛序列结构之间相转换过程实现的难以程度的影响。另外,在分析相转换过程所对应的滑移路径时,我们根据长周期堆垛序列的堆垛特征提出了两种潜在的原子滑移模式(S mode和M mode)。对于具有多条转换路径的相转换机制,我们通过比较转换过程中所对应的广义层错能曲线的能量势垒的大小来实现路径的优化。在路径优化过程中,由于在没有真空层的情况下转换机制2H?6H_2、6H_1?6H_2、14H_4?14H_2以及14H_4?14H5在M滑移模式所揭示的转换路径下所对应的广义层错能曲线的能量势垒和其在S滑移模式下所揭示的转换路径中所对应的广义层错能曲线的能量势垒大小一致,因此,在没有真空层的情况下,M和S两种滑移模式所揭示的转换路径对这些转换机制具有等效性。然而,在考虑真空层的情况下,这些相转换机制在M滑移模式所揭示的转换路径下实现相转换时所对应的广义层错能曲线的能量势垒远远大于其在S滑移模式下实现相转换时所跨越的势垒值。由此可见,在考虑真空层的情况下,由S滑移模式所揭示的转换路径对这些相转换机制来说是比较优化的。对2H?6H_1和14H_1?14H3而言,不论在计算过程中有没有考虑真空层,其在M滑移模式所揭示的转换路径下实现相转换时所对应的能量势垒值远小于其在S模式下的能量势垒值。类似地,18R1?18R2和14H_2?14H5在M滑移模式所揭示的转换路径下实现相转换时所对应的能量势垒值远大于其在S滑移模式下实现相转换时所对应的能量势垒值。因此,对于这些相转换机制来说,真空层只影响到转换过程中能量曲线基本形状的变化情况,而对路径的优化过程并没有产生决定性的影响。
【关键词】：金属Mg 基面层错 长周期堆垛序结构 相转换机制 第一性原理计算
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 前言9-12
• 1.2 金属Mg中层错能的研究12-14
• 1.2.1 层错能的概念及研究意义12-13
• 1.2.2 关于层错能的研究进展13-14
• 1.3 本文的主要研究内容及意义14-16
• 2 金属Mg中的基面层错及其相变的研究16-26
• 2.1 引言16
• 2.2 计算方法及模型16-19
• 2.3 金属Mg中的基面层错及基面滑移机制19-21
• 2.4 堆垛层错之间的相互转化21-25
• 2.5 本章小结25-26
• 3 金属Mg中长周期序结构之间相转换的第一性原理研究26-56
• 3.1 引言26-28
• 3.2 计算方法28
• 3.3 计算结果与分析讨论28-54
• 3.3.1 长周期堆垛序列Mg的层错能及两种潜在的滑移模式29-33
• 3.3.2 2H-Mg与各种长周期堆垛序结构之间的转换路径33-40
• 3.3.3 相同长周期相的不同微观堆垛结构之间的转换路径40-50
• 3.3.4 不同长周期堆垛序列结构之间的相互转化50-54
• 3.4 本章小结54-56
• 4 结论与展望56-59
• 4.1 本文的主要结论56-57
• 4.2 后续工作的展望57-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-67
• 附录67
• A. 攻读硕士学位期间发表的学术论文67
• B. 攻读硕士期间参加的科研项目67
• C. 攻读硕士期间参加的学术会议67
• D. 攻读硕士期间获得的奖励67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王勇;廖治东;张恒飞;周红;宋长江;;稀土在镁合金中作用的研究现状[J];材料导报;2011年S1期

2 余琨,黎文献,王日初,马正青;变形镁合金的研究、开发及应用[J];中国有色金属学报;2003年02期

3 余琨,黎文献,李松瑞,谭敦强;含稀土镁合金的研究与开发[J];特种铸造及有色合金;2001年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 徐泓鹭;密排六方结构（hcp）Mg的塑性变形行为计算模拟初步探究[D];上海交通大学;2014年

，

本文编号：1019657