稀土元素Y、La对Mg-Zn合金强化机理的第一性原理计算
发布时间：2022-11-05 14:46
镁合金作为工业应用中质量较轻的金属材料,凭借着其良好的性能优势,得以在汽车制造、航空航天、3C电子、轨道交通和生物医学等行业广泛应用。但是,由于应用形式日益呈现多样性与复杂化,对于镁合金的性能要求也越来越高。研究表明提高镁合金力学性能的有效途径是利用稀土元素对镁合金进行合金化处理。一直以来稀土Mg-Zn-RE合金,因其优异的力学性能和独特的晶体结构而备受关注。在Mg-Zn合金中添加稀土Y、La元素,不仅可以通过形成稳定的准晶体强化相来改善周围的力学性能,而且可以改善镁合金的高温强度和耐蠕变性。此外,稀土元素还可以极大提升镁合金断后伸长率和冲击韧性。为了系统研究稀土元素Y、La对Mg-Zn合金的强化机理,本文利用第一性原理计算方法,对生成于Mg-Zn-Y（La）系金属间化合物的热力学稳定性、力学性能、电子结构进行了系统研究,同时利用第一性原理加压计算方法和拉伸计算方法重点研究了各化合物在高压环境下的性能表现以及稀土元素Y、La原子固溶于镁基体后对镁基体的强化效果及强化机制。首先,本文计算分析了稀土元素Y、La加入Mg-Zn合金后,在金属间起强化作用的合金化合物MgZn2
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 镁及镁合金概述
1.1.1 纯镁的性质及开发
1.1.2 镁合金的性质及特点
1.1.3 镁合金的开发及应用
1.2 镁合金的强化机理
1.2.1 固溶强化
1.2.2 沉淀析出强化
1.2.3 弥散强化
1.2.4 细晶强化
1.3 Mg-Zn系合金概述
1.3.1 Mg-Zn-M(M=Zr、Cu)系合金
1.3.2 Mg-Zn-RE系合金
1.4 稀土镁合金研究概述
1.4.1 稀土元素在镁合金中的强化作用
1.4.2 稀土镁合金的研究进展
1.4.3 Y、La元素对镁合金性能的影响
1.5 第一性原理计算研究进展概述
1.5.1 第一性原理计算的作用
1.5.2 第一性原理在Mg-Zn-Y(La)系合金中的研究
1.5.3 第一性原理研究合金加压过程中的性能变化
1.5.4 第一性原理研究合金的固溶强化作用
1.6 论文的研究的意义及研究内容
1.6.1 研究意义
1.6.2 研究内容
第2章 计算理论及方法
2.1 多粒子薛定谔方程及近似
2.1.1 波恩-奥本海默(BO)近似
2.1.2 单电子近似(Hartree-Fock近似)
2.2 密度泛函理论(DFT)概述
2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
2.2.2 Kohn-Sham方程
2.2.3 交换关联函数
2.3 平面波赝势法
2.4 CASTEP计算程序和计算步骤
第3章 Mg-Zn-Y(La)合金中金属间化合物的第一性原理计算
3.1 Mg-Zn-Y(La)系金属间化合物的计算模型和方法
3.1.1 晶体结构模型
3.1.2 计算参数设置
3.2 Mg-Zn-Y(La)系金属间化合物的计算结果及分析
3.2.1 平衡晶格参数
3.2.2 热力学稳定性
3.2.3 力学性能
3.2.4 熔点和硬度
3.2.5 电子结构分析
3.3 本章小结
第4章 压力下Mg-Zn-Y(La)系金属间化合物性能变化规律研究
4.1 压力下金属间三元化合物Mg_3Zn_3Y_2的第一性原理计算
4.1.1 计算方法和参数设置
4.1.2 压力下Mg_3Zn_3Y_2晶体结构及稳定性
4.1.3 压力下Mg_3Zn_3Y_2力学性能变化
4.1.4 压力下Mg_3Zn_3Y_2电子结构变化
4.1.5 压力下Mg_3Zn_3Y_2熔点和硬度变化
4.2 压力下金属间二元化合物MgZn_2和Mg_2Y的第一性原理计算
4.2.1 计算方法和参数设置
4.2.2 压力下MgZn_2和Mg_2Y晶体结构及稳定性
4.2.3 压力下MgZn_2和Mg_2Y力学性能变化
4.2.4 压力下MgZn_2和Mg_2Y弹性各向异性变化
4.2.5 压力下MgZn_2和Mg_2Y电子结构的变化
4.3 压力下金属间二元化合物Mg_2La和 Mg_3La的第一性原理计算
4.3.1 计算方法和参数设置
4.3.2 压力下Mg_2La和 Mg_3La晶体结构及稳定性
4.3.3 压力下Mg_2La和 Mg_3La力学性能变化
4.4 本章小结
第5章 Zn、Y、La元素合金化对镁基体强化效果的研究
5.1 元素含量为1.8at.%时α-Mg固溶体的拉伸性能
5.1.1 晶体结构模型
5.1.2 计算方法和参数设置
5.1.3 合金元素对镁基体强化效果的计算
5.2 元素含量为3.7at.%时α-Mg固溶体的拉伸性能
5.2.1 晶体结构模型
5.2.2 计算方法和参数设置
5.2.3 合金元素对镁基体强化效果的计算
5.3 X(X=Zn、Y、La)原子固溶浓度对Mg-X合金拉伸性能的影响
5.3.1 Zn原子固溶浓度对合金抗拉性能的影响
5.3.2 Y原子固溶浓度对合金抗拉性能的影响
5.3.3 La原子固溶浓度对合金抗拉性能的影响
5.4 本章小结
第6章 结论
参考文献
在学研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Zn含量和Zn/Mg比对Al-Zn-Mg-Cu铝合金拉伸性能和淬透性的影响[J]. 王奋翔,徐国富,江福清,黄继武,尹志民. 金属热处理. 2019(12)
[2]高强镁合金的制备研究进展[J]. 王宣,李秀兰,周立玉,曾洪亮. 轻合金加工技术. 2019(11)
[3]稀土元素Y和Nd混合添加对Mg-Al-Ca合金组织和性能的影响[J]. 冯强强,董晟全,何子博,白尧. 热加工工艺. 2019(15)
[4]Effect of alloying elements on magnesium alloy damping capacities at room temperature[J]. Di-qing Wan,Ying-lin Hu,Shu-ting Ye,Zhu-min Li,Li-li Li,Yi Huang. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2019(06)
[5]高性能稀土镁合金研究与应用进展[J]. 董天宇. 世界有色金属. 2018(19)
[6]稀土元素La对Zn-Cu-Ti-Mg合金组织和性能的影响[J]. 李红霞,宋克兴,张彦敏,田保红,任凤章,王宇飞. 金属热处理. 2018(10)
[7]镁合金在轨道交通装备中的应用和展望[J]. 刘义鹤,江洪. 新材料产业. 2018(10)
[8]Pitting corrosion of a Rare Earth Mg alloy GW93[J]. Yingwei Song,Dayong Shan,En-Hou Han. Journal of Materials Science ＆ Technology. 2017(09)
[9]挤压态Mg99.2Ca0.6Mn0.2合金的力学性能及在模拟体液中的腐蚀性能研究（英文）[J]. 张忠明,马莹,任伟伟,王婷,徐春杰,惠增哲. 稀有金属材料与工程. 2017(09)
[10]金属化合物MgAg和MgY在压力下力学性能的第一性原理计算[J]. 杨阳,毛萍莉,刘正. 铸造. 2017(04)
博士论文
[1]Mg-RE-Zn变形镁合金中LPSO结构演变规律及动态析出行为研究[D]. 柳伟.太原理工大学 2019
[2]新型二维材料的结构修饰与电子性质调控[D]. 金翠.山东大学 2019
[3]镁—铝—锌/锡系合金变形组织演变规律与力学性能研究[D]. 张呈呈.吉林大学 2018
[4]基于第一性原理计算的Al-30wt.%Mg2Si复合材料的强化机理研究[D]. 刘桐宇.沈阳工业大学 2018
[5]新型Mg-Ca系生物镁合金及防护层的制备与性能研究[D]. 苏一畅.吉林大学 2018
[6]生物医用可降解Mg-RE合金的设计、制备与性能研究[D]. 桂珍珍.华南理工大学 2018
[7]新型Mg-Zn-Al-Sm/Mn镁合金的组织、性能及其强化机理研究[D]. 张玉.兰州理工大学 2018
[8]Ti弥散强化超细晶AZ31镁合金制备与组织性能研究[D]. 周海萍.哈尔滨工业大学 2016
[9]几种Mg-Zn-Y合金的组织性能及变形机制研究[D]. 张利.沈阳工业大学 2015
[10]Mg-Zn-Y（-Gd）镁合金凝固组织与性能的研究[D]. 史菲.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]二氧化钛亚稳相的高压合成及其光电性质的研究[D]. 陶子超.燕山大学 2018
[2]Ag合金化镁合金的第一性原理计算[D]. 杨阳.沈阳工业大学 2017
[3]Sn元素对AZ80变形镁合金组织和性能的影响[D]. 范晓伟.重庆大学 2017
[4]稀土元素对Mg-Al合金性能影响的第一性原理研究[D]. 张清.中北大学 2016
[5]Mg-Zn系镁合金第一性原理计算[D]. 彭思雯.沈阳工业大学 2016
[6]Mg-Al-RE（RE=Gd,Y）合金固溶与时效过程的第一原理研究[D]. 陈红蕾.沈阳工业大学 2016
[7]碱土金属掺杂Mg2Si及Mg-X（X=Sr,Bi,Sb）合金金属间化合物性能的第一性原理研究[D]. 赵慧.中北大学 2015
[8]合金元素掺杂对镁基体强化效果的第一性原理研究[D]. 黄天龙.吉林大学 2015
[9]Mg-Ca系合金中相稳定性，力学及热力学性质的第一性原理计算[D]. 于波.沈阳工业大学 2015
[10]Mg-Er合金第一性原理研究[D]. 王文静.南京航空航天大学 2014
本文编号：3702800
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 镁及镁合金概述
1.1.1 纯镁的性质及开发
1.1.2 镁合金的性质及特点
1.1.3 镁合金的开发及应用
1.2 镁合金的强化机理
1.2.1 固溶强化
1.2.2 沉淀析出强化
1.2.3 弥散强化
1.2.4 细晶强化
1.3 Mg-Zn系合金概述
1.3.1 Mg-Zn-M(M=Zr、Cu)系合金
1.3.2 Mg-Zn-RE系合金
1.4 稀土镁合金研究概述
1.4.1 稀土元素在镁合金中的强化作用
1.4.2 稀土镁合金的研究进展
1.4.3 Y、La元素对镁合金性能的影响
1.5 第一性原理计算研究进展概述
1.5.1 第一性原理计算的作用
1.5.2 第一性原理在Mg-Zn-Y(La)系合金中的研究
1.5.3 第一性原理研究合金加压过程中的性能变化
1.5.4 第一性原理研究合金的固溶强化作用
1.6 论文的研究的意义及研究内容
1.6.1 研究意义
1.6.2 研究内容
第2章 计算理论及方法
2.1 多粒子薛定谔方程及近似
2.1.1 波恩-奥本海默(BO)近似
2.1.2 单电子近似(Hartree-Fock近似)
2.2 密度泛函理论(DFT)概述
2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
2.2.2 Kohn-Sham方程
2.2.3 交换关联函数
2.3 平面波赝势法
2.4 CASTEP计算程序和计算步骤
第3章 Mg-Zn-Y(La)合金中金属间化合物的第一性原理计算
3.1 Mg-Zn-Y(La)系金属间化合物的计算模型和方法
3.1.1 晶体结构模型
3.1.2 计算参数设置
3.2 Mg-Zn-Y(La)系金属间化合物的计算结果及分析
3.2.1 平衡晶格参数
3.2.2 热力学稳定性
3.2.3 力学性能
3.2.4 熔点和硬度
3.2.5 电子结构分析
3.3 本章小结
第4章 压力下Mg-Zn-Y(La)系金属间化合物性能变化规律研究
4.1 压力下金属间三元化合物Mg_3Zn_3Y_2的第一性原理计算
4.1.1 计算方法和参数设置
4.1.2 压力下Mg_3Zn_3Y_2晶体结构及稳定性
4.1.3 压力下Mg_3Zn_3Y_2力学性能变化
4.1.4 压力下Mg_3Zn_3Y_2电子结构变化
4.1.5 压力下Mg_3Zn_3Y_2熔点和硬度变化
4.2 压力下金属间二元化合物MgZn_2和Mg_2Y的第一性原理计算
4.2.1 计算方法和参数设置
4.2.2 压力下MgZn_2和Mg_2Y晶体结构及稳定性
4.2.3 压力下MgZn_2和Mg_2Y力学性能变化
4.2.4 压力下MgZn_2和Mg_2Y弹性各向异性变化
4.2.5 压力下MgZn_2和Mg_2Y电子结构的变化
4.3 压力下金属间二元化合物Mg_2La和 Mg_3La的第一性原理计算
4.3.1 计算方法和参数设置
4.3.2 压力下Mg_2La和 Mg_3La晶体结构及稳定性
4.3.3 压力下Mg_2La和 Mg_3La力学性能变化
4.4 本章小结
第5章 Zn、Y、La元素合金化对镁基体强化效果的研究
5.1 元素含量为1.8at.%时α-Mg固溶体的拉伸性能
5.1.1 晶体结构模型
5.1.2 计算方法和参数设置
5.1.3 合金元素对镁基体强化效果的计算
5.2 元素含量为3.7at.%时α-Mg固溶体的拉伸性能
5.2.1 晶体结构模型
5.2.2 计算方法和参数设置
5.2.3 合金元素对镁基体强化效果的计算
5.3 X(X=Zn、Y、La)原子固溶浓度对Mg-X合金拉伸性能的影响
5.3.1 Zn原子固溶浓度对合金抗拉性能的影响
5.3.2 Y原子固溶浓度对合金抗拉性能的影响
5.3.3 La原子固溶浓度对合金抗拉性能的影响
5.4 本章小结
第6章 结论
参考文献
在学研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Zn含量和Zn/Mg比对Al-Zn-Mg-Cu铝合金拉伸性能和淬透性的影响[J]. 王奋翔,徐国富,江福清,黄继武,尹志民. 金属热处理. 2019(12)
[2]高强镁合金的制备研究进展[J]. 王宣,李秀兰,周立玉,曾洪亮. 轻合金加工技术. 2019(11)
[3]稀土元素Y和Nd混合添加对Mg-Al-Ca合金组织和性能的影响[J]. 冯强强,董晟全,何子博,白尧. 热加工工艺. 2019(15)
[4]Effect of alloying elements on magnesium alloy damping capacities at room temperature[J]. Di-qing Wan,Ying-lin Hu,Shu-ting Ye,Zhu-min Li,Li-li Li,Yi Huang. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2019(06)
[5]高性能稀土镁合金研究与应用进展[J]. 董天宇. 世界有色金属. 2018(19)
[6]稀土元素La对Zn-Cu-Ti-Mg合金组织和性能的影响[J]. 李红霞,宋克兴,张彦敏,田保红,任凤章,王宇飞. 金属热处理. 2018(10)
[7]镁合金在轨道交通装备中的应用和展望[J]. 刘义鹤,江洪. 新材料产业. 2018(10)
[8]Pitting corrosion of a Rare Earth Mg alloy GW93[J]. Yingwei Song,Dayong Shan,En-Hou Han. Journal of Materials Science ＆ Technology. 2017(09)
[9]挤压态Mg99.2Ca0.6Mn0.2合金的力学性能及在模拟体液中的腐蚀性能研究（英文）[J]. 张忠明,马莹,任伟伟,王婷,徐春杰,惠增哲. 稀有金属材料与工程. 2017(09)
[10]金属化合物MgAg和MgY在压力下力学性能的第一性原理计算[J]. 杨阳,毛萍莉,刘正. 铸造. 2017(04)
博士论文
[1]Mg-RE-Zn变形镁合金中LPSO结构演变规律及动态析出行为研究[D]. 柳伟.太原理工大学 2019
[2]新型二维材料的结构修饰与电子性质调控[D]. 金翠.山东大学 2019
[3]镁—铝—锌/锡系合金变形组织演变规律与力学性能研究[D]. 张呈呈.吉林大学 2018
[4]基于第一性原理计算的Al-30wt.%Mg2Si复合材料的强化机理研究[D]. 刘桐宇.沈阳工业大学 2018
[5]新型Mg-Ca系生物镁合金及防护层的制备与性能研究[D]. 苏一畅.吉林大学 2018
[6]生物医用可降解Mg-RE合金的设计、制备与性能研究[D]. 桂珍珍.华南理工大学 2018
[7]新型Mg-Zn-Al-Sm/Mn镁合金的组织、性能及其强化机理研究[D]. 张玉.兰州理工大学 2018
[8]Ti弥散强化超细晶AZ31镁合金制备与组织性能研究[D]. 周海萍.哈尔滨工业大学 2016
[9]几种Mg-Zn-Y合金的组织性能及变形机制研究[D]. 张利.沈阳工业大学 2015
[10]Mg-Zn-Y（-Gd）镁合金凝固组织与性能的研究[D]. 史菲.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]二氧化钛亚稳相的高压合成及其光电性质的研究[D]. 陶子超.燕山大学 2018
[2]Ag合金化镁合金的第一性原理计算[D]. 杨阳.沈阳工业大学 2017
[3]Sn元素对AZ80变形镁合金组织和性能的影响[D]. 范晓伟.重庆大学 2017
[4]稀土元素对Mg-Al合金性能影响的第一性原理研究[D]. 张清.中北大学 2016
[5]Mg-Zn系镁合金第一性原理计算[D]. 彭思雯.沈阳工业大学 2016
[6]Mg-Al-RE（RE=Gd,Y）合金固溶与时效过程的第一原理研究[D]. 陈红蕾.沈阳工业大学 2016
[7]碱土金属掺杂Mg2Si及Mg-X（X=Sr,Bi,Sb）合金金属间化合物性能的第一性原理研究[D]. 赵慧.中北大学 2015
[8]合金元素掺杂对镁基体强化效果的第一性原理研究[D]. 黄天龙.吉林大学 2015
[9]Mg-Ca系合金中相稳定性，力学及热力学性质的第一性原理计算[D]. 于波.沈阳工业大学 2015
[10]Mg-Er合金第一性原理研究[D]. 王文静.南京航空航天大学 2014
本文编号：3702800
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