合金元素掺杂对镁基体强化效果的第一性原理研究

发布时间：2017-12-02 16:24

  本文关键词：合金元素掺杂对镁基体强化效果的第一性原理研究

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【摘要】：镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、导热导电性能好、机械加工性能优良、电磁屏蔽效果好、阻尼减振和易回收等优点，在多个领域得到了广泛的关注。随着镁合金的发展及应用，人们对其力学性能的要求愈来愈高；因此提高镁合金强度已经成为其发展的关键问题之一。 合金化是改善金属内部微观组织，获得高强韧性镁合金最有效的方法之一；然而当前有关合金元素对镁基体性质的影响规律和作用机制的系统研究尚不完备。镁合金中常见的合金元素有Al、Zn、Sn、Ca、Zr和RE等。本文基于第一性原理计算，研究了16种合金元素对镁基体强化效果的影响规律，为其强化成分设计提供理论依据，，从电子结构和态密度的角度分析了强化原因，探讨掺杂元素原子半径和价电子数对强化效果的影响规律；选取较小的Zn原子和较大的Ca原子，研究了原子尺寸对镁基体理想抗拉强度的影响； 目前，合金元素的分布情况对镁基体强化效果的影响规律尚不明确，通过传统的试验方法很难获得理想的合金元素均匀分布或者偏聚分布的实验样品，而第一性原理模拟的方法可以有效解决此问题；因此，本文采用第一性原理模拟的方法重点研究Al、Zn元素的分布情况对镁基体强化效果的影响是很有意义的。本文开展镁合金强化的第一性原理研究旨在为其强化设计提供理论支撑和依据。主要结论如下： (1)基于第一性原理计算，对Mg54和Mg53X1(X=Al、Zn、Mn、Si、Li、Sn、Ti、Mo、Zr、In、Tl、Pb、Y、Na、K、Ca)晶胞模型进行拉伸模拟，研究了16种合金元素掺杂对镁基体拉伸屈服阶段强化效果的影响规律，为高强镁合金成分设计提供依据；应用电子差分图和态密度解释了其强化机制。合金元素掺杂对镁基体拉伸屈服阶段的强化效果明显，Ti、Al、Zn、Pb、Ca等元素的强化效果尤为突出；当应变值在0.04-0.08之间时，在镁基体中掺杂比镁原子半径小的合金元素相对于掺杂比镁原子半径大的合金元素的强化效果更好；掺杂元素的价电子数大于镁时，掺杂原子附近镁原子周围的电子倾向于向掺杂原子处转移、偏聚，随着其价电子数增多，合金元素的强化效果减弱；掺杂元素的价电子数小于镁时，掺杂原子周围的电子倾向于向镁原子处转移、偏聚，随着其价电子数减少，合金元素的强化效果减弱。 (2)选取较小的Zn原子和较大的Ca原子，经过计算形成焓确定掺杂原子占位，建立Mg52Zn1Ca1-I、Mg52Zn1Ca1-II、Mg52Zn2和Mg52Ca2模型，研究了Zn、Ca共掺对镁合金拉伸理想抗拉强度的影响。对于理想抗拉强度值：Mg52Ca2 Mg52Zn1Ca1Mg52Zn2，表明在镁基体中掺杂Ca、Zn原子时，同时掺杂两个Ca原子的强化效果最好，同时掺杂一个Zn原子和一个Ca原子的强化效果次之，上述两种情况都好于同时掺杂两个Zn原子的强化效果。即从理论计算的角度看在镁合金的拉伸阶段，Ca元素的强化效果好于Zn元素。Zn、Ca原子共掺能够抵消单独掺杂时引起的晶格畸变。 (3)选取镁合金中最常用的Al、Zn元素，建立镁基体中Al、Zn元素不同分布情况的晶胞模型对其进行拉伸模拟，揭示了合金元素的分布情况对镁基体强化效果的影响规律；应用电子差分图和态密度解释了其强化机制。在镁基体中，Al、Zn元素均匀分布时，其理想抗拉强度值高于合金元素偏聚分布；合金元素均匀分布时强化效果更显著，说明了均匀化热处理的必要性；在镁基体中Al元素的强化效果要好于Zn元素；Mg51Al3(I-IV)晶体结构的断裂发生于掺杂原子邻近的Mg-Mg层，表明Al原子置换到镁基体之后，强化了Mg-Al键，削弱了晶胞中的Mg-Mg键。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.22

【参考文献】

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