本文關(guān)鍵詞： Mg合金 液態(tài)結(jié)構(gòu) 第一性原理分子動力學(xué) 液固結(jié)構(gòu)相關(guān)性　出處：《山東大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：本文選取Mg基二元合金為研究對象,采用第一性原理計算方法,首先研究了合金元素的置換式固溶對Mg結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。并結(jié)合第一性原理分子動力學(xué)方法,深入研究了在工業(yè)上有重要地位的Mg-Li、Mg-Al二元合金系中的液固結(jié)構(gòu)相關(guān)性。采用第一性原理計算方法,并通過構(gòu)造置換式固溶體Mg15X(X為合金元素,共53種),研究了不同合金元素對Mg結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)的影響。與純Mg相對比,計算了置換式固溶體Mg15X的體積變化率△V%、能量變化率△E%,并以此建立了 Mg15X的△V%-△E%平面直角坐標(biāo)系。合金元素在△V%-△E%坐標(biāo)系中的分布反映了合金元素在Mg中的最大平衡固溶度與Mg結(jié)構(gòu)"損傷容限"的內(nèi)在聯(lián)系。并且具有周期性規(guī)律。其中主族元素的周期性排布表明,相比于原子尺寸效應(yīng),電負(fù)性差異對合金結(jié)構(gòu)的影響更為顯著。進一步,結(jié)合差分電荷密度,討論了位于△V%-△E%坐標(biāo)系不同象限內(nèi)的合金元素對Mg力學(xué)性能的影響,并初步建立了置換式固溶體Mg15X中合金元素、結(jié)構(gòu)性質(zhì)、力學(xué)性能三者之間的聯(lián)系。采用第一性原理分子動力學(xué)的方法,研究了 973K溫度下液態(tài)Mg-Li合金的局域原子結(jié)構(gòu)、動力學(xué)以熱力學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn),12.5 at.%～31.25 at.%Li成分區(qū)間為液態(tài)Mg-Li合金的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變區(qū):Li的加入導(dǎo)致Mg周圍密堆積型局域原子結(jié)構(gòu)向體心立方bcc型轉(zhuǎn)變,與固態(tài)下的兩相區(qū)相對應(yīng)。計算得到的Mg-Li混合焓曲線在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)存在一處拐點,從能量的角度為局域原子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供了佐證。由于結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,Mg、Li原子的自擴散系數(shù)隨合金成分的變化呈現(xiàn)出了不同的趨勢。此外,我們以轉(zhuǎn)移電荷量表征液態(tài)Mg-Li合金中Mg、Li原子間的相互作用,并根據(jù)準(zhǔn)化學(xué)近似模型,表明了電荷轉(zhuǎn)移為影響Mg、Li原子間相互作用的關(guān)鍵因素。通過第一性原理分子動力學(xué)的方法,研究了 973K溫度下液態(tài)Mg-Al合金的結(jié)構(gòu)性質(zhì)隨合金成分的演變規(guī)律。結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究表明,隨著Al含量的增加,純Mg中的密堆積型局域結(jié)構(gòu)以片段的形式被保留了下來,而富Mg端中離散分布的Al原子則在18.75～31.25 at.%Al成分區(qū)間內(nèi)開始向Mg原子周圍發(fā)生偏聚。電子結(jié)構(gòu)分析則進一步揭示了以上液態(tài)結(jié)構(gòu)特征的形成機理,即增加的Al原子間趨于形成能量較低的Al-Al鍵,從而限制了 Mg-Al鍵的形成。根據(jù)以上結(jié)果,Mg-Al合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)可以模型化為依附于密堆積型Mg原子片段周圍的Al原子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此外,Mg、Al原子的自擴散系數(shù)結(jié)果顯示,Al原子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有效地限制Mg原子的擴散,進而從動力學(xué)性質(zhì)的角度證明了該結(jié)構(gòu)模型的合理性。該結(jié)構(gòu)模型為Mg-Al二元合金系中復(fù)雜金屬間化合物的研究提供了新的視角。依據(jù)Mg-Al合金液態(tài)結(jié)構(gòu)模型,為了揭示Mg-Al金屬間化合物中與非化學(xué)計量比特性相關(guān)聯(lián)的共有結(jié)構(gòu)特征,通過第一性原理計算方法,研究了非化學(xué)計量比化合物Mg17Al12和MgAl2晶格結(jié)構(gòu)中反位缺陷的占位機制。綜合考慮不同反位缺陷對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響以及各缺陷結(jié)構(gòu)中的鍵合特征,Mg-Al金屬間化合物中與非化學(xué)計量比特性相關(guān)聯(lián)的共有結(jié)構(gòu)特征可以通過一種局域結(jié)構(gòu)形態(tài)來表現(xiàn),即垂直于Mg原子六邊形方向的Al原子支架構(gòu)型。進一步,將該局域結(jié)構(gòu)形態(tài)分別嵌入面心立方Al與密排六方Mg的超胞中以構(gòu)建Mg-Al固溶體體系,所得能量較相應(yīng)的特殊準(zhǔn)隨機結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。由此可以推斷,垂直于Mg原子六邊形的Al原子支架構(gòu)型這一局域結(jié)構(gòu)形態(tài)不僅表現(xiàn)了非化學(xué)計量比Mg-Al 金屬間化合物的共有結(jié)構(gòu)特征,也是 Mg-Al 固溶體中一種可能的原子排布模式,因而可以代表普適于Mg-Al二元合金體系的一種局域結(jié)構(gòu)特征。
[Abstract]:In this paper , the influence of alloying elements on the mechanical properties of Mg - Li alloys is studied by means of the first principle , and the relationship between Mg and Li atoms in Mg - Li alloys is studied . In order to reveal the structural stability of Mg - Al intermetallic compounds and the bonding characteristics of Mg - Al intermetallic compounds , the structure model of Mg - Al intermetallic compounds is more stable than that of Mg - Al intermetallic compounds .

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG146.22

【參考文獻】

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本文編號：1496277