本文關鍵詞： Mg合金 液態(tài)結構 第一性原理分子動力學 液固結構相關性　出處：《山東大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【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結構的影響規(guī)律。并結合第一性原理分子動力學方法,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構相關性。采用第一性原理計算方法,并通過構造置換式固溶體Mg15X(X為合金元素,共53種),研究了不同合金元素對Mg結構與力學性質(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%平面直角坐標系。合金元素在△V%-△E%坐標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結構"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,電負性差異對合金結構的影響更為顯著。進一步,結合差分電荷密度,討論了位于△V%-△E%坐標系不同象限內(nèi)的合金元素對Mg力學性能的影響,并初步建立了置換式固溶體Mg15X中合金元素、結構性質(zhì)、力學性能三者之間的聯(lián)系。采用第一性原理分子動力學的方法,研究了 973K溫度下液態(tài)Mg-Li合金的局域原子結構、動力學以熱力學性質(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合金的結構轉(zhuǎn)變區(qū):Li的加入導致Mg周圍密堆積型局域原子結構向體心立方bcc型轉(zhuǎn)變,與固態(tài)下的兩相區(qū)相對應。計算得到的Mg-Li混合焓曲線在結構轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)存在一處拐點,從能量的角度為局域原子結構轉(zhuǎn)變提供了佐證。由于結構的轉(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)準化學近似模型,表明了電荷轉(zhuǎn)移為影響Mg、Li原子間相互作用的關鍵因素。通過第一性原理分子動力學的方法,研究了 973K溫度下液態(tài)Mg-Al合金的結構性質(zhì)隨合金成分的演變規(guī)律。結構性質(zhì)研究表明,隨著Al含量的增加,純Mg中的密堆積型局域結構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。電子結構分析則進一步揭示了以上液態(tài)結構特征的形成機理,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)以上結果,Mg-Al合金的液態(tài)結構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)狀結構。此外,Mg、Al原子的自擴散系數(shù)結果顯示,Al原子網(wǎng)狀結構有效地限制Mg原子的擴散,進而從動力學性質(zhì)的角度證明了該結構模型的合理性。該結構模型為Mg-Al二元合金系中復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)結構模型,為了揭示Mg-Al金屬間化合物中與非化學計量比特性相關聯(lián)的共有結構特征,通過第一性原理計算方法,研究了非化學計量比化合物Mg17Al12和MgAl2晶格結構中反位缺陷的占位機制。綜合考慮不同反位缺陷對結構穩(wěn)定性的影響以及各缺陷結構中的鍵合特征,Mg-Al金屬間化合物中與非化學計量比特性相關聯(lián)的共有結構特征可以通過一種局域結構形態(tài)來表現(xiàn),即垂直于Mg原子六邊形方向的Al原子支架構型。進一步,將該局域結構形態(tài)分別嵌入面心立方Al與密排六方Mg的超胞中以構建Mg-Al固溶體體系,所得能量較相應的特殊準隨機結構更為穩(wěn)定。由此可以推斷,垂直于Mg原子六邊形的Al原子支架構型這一局域結構形態(tài)不僅表現(xiàn)了非化學計量比Mg-Al 金屬間化合物的共有結構特征,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構特征。
[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 .

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

【參考文獻】

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本文編號：1496277