基于第一性原理和分子动力学的镁合金强韧化基础研究

发布时间：2017-05-24 13:06

  本文关键词：基于第一性原理和分子动力学的镁合金强韧化基础研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：交通工具、航空航天设备轻量化有利于减少温室气体的排放。镁的密度约为铝合金的2/3,钢铁的1/4,有着广阔的应用前景。然而,由于镁合金面临着塑性较低和强度较低的双重问题,以致其使用量远不及钢铁和铝合金。从微观层次来看,材料的塑性和强度取决于位错的滑移、孪晶的演变以及裂纹的扩展。从改善塑性的角度。可以通过添加合金元素,调控镁合金的广义层错能、裂纹形成能,进而影响其位错行为和裂纹行为。本文探讨了第一性原理计算过程中,弛豫参数对广义层错能计算结果的影响。然后基于第一性原理,模拟了镁合金中合金元素对广义层错能的影响(涉及到的滑移系包括:}0001{0110??、}0011{0211??、}2211{3211??),对I1层错能的影响,以及对}0001{表裂纹形成能的影响。并基于模拟结果,讨论了合金元素对镁合金变形模式的影响。包括:基面位错的运动模式、非基面位错开启的难易程度、模式I下的本征塑性。从提高强度的角度。镁合金中最容易开启的变形模式为基面位错和}2110{孪晶。传统的强化方案大多是从阻碍基面滑移的角度入手,关于}2110{孪晶的强化机制研究得不多。本文从第一原理的角度,模拟了合金元素的}2110{孪晶偏聚能以及扩散激活能,讨论了利用合金元素对}2110{孪晶进行强化的潜力。另外,从分子动力学的角度研究了}2110{孪晶界面的演变,以及基面层错对}2110{孪晶的阻碍作用,探讨了利用基面层错对}2110{孪晶进行强化的可能性。主要结论如下:①为了对广义层错能进行相对精确的模拟,需要引入沿z方向(垂直于滑移面)的弛豫,特别是对于晶面间距较小的滑移系,也就是高指数面。如果滑移方向两边的原子分布不对称(例如:}2211{3211??滑移系),需要引入沿y方向(在滑移面内同时垂直于滑移方向)的弛豫。②合金元素Ag、Al、Dy、Er、Gd、Ho、Lu、Mn、Nd、Sc、Sm、Y、Zn、Zr可明显升高基面的裂纹形成能,有利于抑制裂纹的扩展。合金元素Al、Bi、Ca、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、In、Lu、Nd、Pb、Sm、Sn、Y、Yb可明显降低I1层错能,有利于提高I1层错的密度,也就是说可以通过增加}2211{3211??位错形核点的方式来改善塑性,同时还能从阻碍}2110{孪晶的角度来增加强度。对于}0001{0110??滑移系,合金元素Al、Bi、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、In、Lu、Nd、Pb、Sc、Sm、Sn、Y、Yb、Zr使得基面位错的运动模式倾向于连续错排机制,可以提高I2层错的密度,也就是说可以从阻碍}2110{孪晶的角度来增加强度。对于}0011{0211??滑移系,合金元素Ca、Dy、Er、Gd、Ho、Lu、Nd、Sm、Y、Yb显著降低其非稳定层错能,意味添加这些合金元素有利于降低该滑移系的临界分切应力。对于}2211{3211??滑移系,考察了合金元素对其分解行为的影响、对形核点数量的影响、对形核难度的影响、以及位错形核与裂纹扩展之间的竞争,发现合金元素Ag、Al、Ca、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、Li、Lu、Nd、Sm、Y、Yb、Zn有利于}2211{3211??滑移系的开启并提高镁合金的本征塑性。③综合考虑了合金元素在}2110{孪晶界面的偏聚能和扩散激活能,构建了孪晶偏聚强化设计图(图5.6)。该图左下角的元素体现较强的孪晶偏聚强化潜力,包括Nd、Sm、Gd、Dy和Yb。④探讨了BP界面的形核和长大机理。由于镁合金中}2110{孪晶位错的柏氏矢量较小(约为~0.498?),所以孪晶位错滑移到自由表面后不能“离开”晶格并在表面形成一个台阶,转而形成BP界面。在接下来的变形过程中,伴随着更多孪晶位错的达到,BP界面可通过吸纳孪晶位错而变宽。⑤在较大规模体系下(~200万个原子),分析了孪晶位错(bTB)和BP界面位错(bBP)的形态。结果表明,这两种位错都能在滑移过程中发生弯曲而呈弧形,这意味着和基体位错类似,bTB和bBP有“绕过”障碍物的可能性。⑥分子动力学模拟结果显示,I1层错和I2层错对}2110{孪晶有明显的强化作用,其中I1层错的强化效果强于I2层错。
【关键词】：镁合金 第一性原理 分子动力学 层错 孪晶
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.22
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 绪论11-37
• 1.1 研究背景11
• 1.2 镁合金简介11-13
• 1.2.1 铸造镁合金11-12
• 1.2.2 变形镁合金12-13
• 1.3 镁合金中的变形模式13-21
• 1.3.1 基面位错14-16
• 1.3.2 柱面位错16-17
• 1.3.3 位错17-19
• 1.3.4 {1012} 孪晶19-21
• 1.4 合金化与力学性能21-26
• 1.4.1 合金化与塑性22-24
• 1.4.2 合金化与强度24-26
• 1.5 第一性原理和分子动力学在镁合金领域的应用26-35
• 1.5.1 第一性原理在镁合金领域的应用26-30
• 1.5.2 分子动力学在镁合金领域的应用30-35
• 1.6 课题的意义和主要研究内容35-37
• 1.6.1 研究意义35-36
• 1.6.2 主要研究内容36-37
• 2 工具软件及参数设置37-39
• 2.1 VASP37-38
• 2.2 LAMMPS38
• 2.3 VESTA38
• 2.4 OVITO38-39
• 3 弛豫参数对广义层错能计算结果的影响39-51
• 3.1 引言39-40
• 3.2 模拟细节40-41
• 3.3 模拟结果41-44
• 3.3.1 {0001} <1010> 滑移系41
• 3.3.2 {1100} <1120>滑移系41-44
• 3.3.3 {1122} <1123>滑移系44
• 3.4 讨论44-49
• 3.4.1 沿z方向的弛豫对广义层错能（GSFE）计算结果的影响44-46
• 3.4.2 沿y方向的弛豫对广义层错能（GSFE）计算结果的影响46-49
• 3.5 本章小结49-51
• 4 合金元素对广义层错能、裂纹形成能的影响51-71
• 4.1 引言51
• 4.2 模拟细节51-55
• 4.3 模拟结果55-60
• 4.3.1 {0001} 表面能（裂纹形成能）55-56
• 4.3.2 I_1层错能56-57
• 4.3.3 {0001} <1010>滑移系57-58
• 4.3.4 {1100} <1120>滑移系58-59
• 4.3.5 {1122} <1123>滑移系59-60
• 4.4 合金元素对变形模式的影响60-68
• 4.4.1 基面位错60-62
• 4.4.2 非基面位错62-68
• 4.5 本章小结68-71
• 5 孪晶偏聚能与溶质原子扩散激活能71-83
• 5.1 引言71-73
• 5.2 模拟细节73-76
• 5.3 模拟结果76-78
• 5.3.1 {1012} 孪晶偏聚能77
• 5.3.2 扩散激活能77-78
• 5.4 合金元素对 {1012} 孪晶界面的强化潜力78-81
• 5.5 本章小结81-83
• 6 基面层错对 {1012} 孪晶的强化作用83-101
• 6.1 引言83-84
• 6.2 模拟细节84-86
• 6.3 结果与分析86-99
• 6.3.1 {1012} 孪晶的演变86-94
• 6.3.2 基面层错对 {1012} 孪晶的强化作用94-99
• 6.4 本章小结99-101
• 7 总结与展望101-105
• 7.1 主要结论101-102
• 7.2 主要创新点102
• 7.3 后续工作及展望102-105
• 致谢105-107
• 参考文献107-123
• 附录123
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录123
• B. 作者在攻读博士学位期间所获奖项123

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  本文关键词：基于第一性原理和分子动力学的镁合金强韧化基础研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：390855