本文關鍵詞：合金元素摻雜對鎂基體強化效果的第一性原理研究

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【摘要】：鎂合金是目前最輕的金屬結構材料，具有密度低、比強度和比剛度高、導熱導電性能好、機械加工性能優(yōu)良、電磁屏蔽效果好、阻尼減振和易回收等優(yōu)點，在多個領域得到了廣泛的關注。隨著鎂合金的發(fā)展及應用，人們對其力學性能的要求愈來愈高；因此提高鎂合金強度已經成為其發(fā)展的關鍵問題之一。 合金化是改善金屬內部微觀組織，獲得高強韌性鎂合金最有效的方法之一；然而當前有關合金元素對鎂基體性質的影響規(guī)律和作用機制的系統(tǒng)研究尚不完備。鎂合金中常見的合金元素有Al、Zn、Sn、Ca、Zr和RE等。本文基于第一性原理計算，研究了16種合金元素對鎂基體強化效果的影響規(guī)律，為其強化成分設計提供理論依據(jù)，，從電子結構和態(tài)密度的角度分析了強化原因，探討摻雜元素原子半徑和價電子數(shù)對強化效果的影響規(guī)律；選取較小的Zn原子和較大的Ca原子，研究了原子尺寸對鎂基體理想抗拉強度的影響； 目前，合金元素的分布情況對鎂基體強化效果的影響規(guī)律尚不明確，通過傳統(tǒng)的試驗方法很難獲得理想的合金元素均勻分布或者偏聚分布的實驗樣品，而第一性原理模擬的方法可以有效解決此問題；因此，本文采用第一性原理模擬的方法重點研究Al、Zn元素的分布情況對鎂基體強化效果的影響是很有意義的。本文開展鎂合金強化的第一性原理研究旨在為其強化設計提供理論支撐和依據(jù)。主要結論如下： (1)基于第一性原理計算，對Mg54和Mg53X1(X=Al、Zn、Mn、Si、Li、Sn、Ti、Mo、Zr、In、Tl、Pb、Y、Na、K、Ca)晶胞模型進行拉伸模擬，研究了16種合金元素摻雜對鎂基體拉伸屈服階段強化效果的影響規(guī)律，為高強鎂合金成分設計提供依據(jù)；應用電子差分圖和態(tài)密度解釋了其強化機制。合金元素摻雜對鎂基體拉伸屈服階段的強化效果明顯，Ti、Al、Zn、Pb、Ca等元素的強化效果尤為突出；當應變值在0.04-0.08之間時，在鎂基體中摻雜比鎂原子半徑小的合金元素相對于摻雜比鎂原子半徑大的合金元素的強化效果更好；摻雜元素的價電子數(shù)大于鎂時，摻雜原子附近鎂原子周圍的電子傾向于向摻雜原子處轉移、偏聚，隨著其價電子數(shù)增多，合金元素的強化效果減弱；摻雜元素的價電子數(shù)小于鎂時，摻雜原子周圍的電子傾向于向鎂原子處轉移、偏聚，隨著其價電子數(shù)減少，合金元素的強化效果減弱。 (2)選取較小的Zn原子和較大的Ca原子，經過計算形成焓確定摻雜原子占位，建立Mg52Zn1Ca1-I、Mg52Zn1Ca1-II、Mg52Zn2和Mg52Ca2模型，研究了Zn、Ca共摻對鎂合金拉伸理想抗拉強度的影響。對于理想抗拉強度值：Mg52Ca2 Mg52Zn1Ca1Mg52Zn2，表明在鎂基體中摻雜Ca、Zn原子時，同時摻雜兩個Ca原子的強化效果最好，同時摻雜一個Zn原子和一個Ca原子的強化效果次之，上述兩種情況都好于同時摻雜兩個Zn原子的強化效果。即從理論計算的角度看在鎂合金的拉伸階段，Ca元素的強化效果好于Zn元素。Zn、Ca原子共摻能夠抵消單獨摻雜時引起的晶格畸變。 (3)選取鎂合金中最常用的Al、Zn元素，建立鎂基體中Al、Zn元素不同分布情況的晶胞模型對其進行拉伸模擬，揭示了合金元素的分布情況對鎂基體強化效果的影響規(guī)律；應用電子差分圖和態(tài)密度解釋了其強化機制。在鎂基體中，Al、Zn元素均勻分布時，其理想抗拉強度值高于合金元素偏聚分布；合金元素均勻分布時強化效果更顯著，說明了均勻化熱處理的必要性；在鎂基體中Al元素的強化效果要好于Zn元素；Mg51Al3(I-IV)晶體結構的斷裂發(fā)生于摻雜原子鄰近的Mg-Mg層，表明Al原子置換到鎂基體之后，強化了Mg-Al鍵，削弱了晶胞中的Mg-Mg鍵。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.22

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