本文關(guān)鍵詞：金屬Mg的基面層錯及虛擬長周期序結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)換第一性原理研究

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【摘要】：眾所周知,在穩(wěn)定狀態(tài)下材料所具有的微觀結(jié)構(gòu)對其所表現(xiàn)出來的功能特性有很大的決定作用。然而,在實際應用領(lǐng)域完美的晶格結(jié)構(gòu)是不存在的。也就是說,在實際的工業(yè)應用領(lǐng)域所研究的材料的微觀結(jié)構(gòu)中總是存在一些缺陷。一般而言,材料中存在的缺陷通常有:點缺陷(位錯)、線缺陷(層錯)及面缺陷,這些缺陷的存在在一定程度上也會影響結(jié)構(gòu)的力學性能。其中位錯是材料中最基本的一種缺陷,并且層錯的形成也會與部分位錯的滑移有著密切的關(guān)系。在相關(guān)的研究領(lǐng)域,人們對材料中位錯的研究已經(jīng)達到了相當深入的層次。然而,有些材料中層錯的研究處于初步探索的階段。因此,為了進一步研究材料中層錯的一些性質(zhì),我們主要選取金屬Mg作為研究對象。本文主要研究了金屬Mg中的基本基面層錯和長周期堆垛序列結(jié)構(gòu),其中長周期堆垛序列結(jié)構(gòu)本質(zhì)上就是由基面層錯所組成的多層錯序列結(jié)構(gòu),也是當前在實驗上和理論是致力于探索和研究的一類新型的微觀結(jié)構(gòu)。長周期堆垛序列結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)不僅在很大程度上改善了Mg及其合金塑性差的這一力學性能,同時也為其在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域進一步的應用起到了促進和拓展的作用。具體的內(nèi)容如下:(1)基面層錯及其相互轉(zhuǎn)換機制基于密度泛函理論上的第一性原理計算,我們從理論的角度對金屬Mg中的基面層錯(I_1、I_2、E和T2)做了詳細的研究,并得出了這些基面層錯的穩(wěn)定層錯能和不穩(wěn)定層錯能。通過與先前的理論值和實驗值相比較,我們的計算結(jié)果與之吻合的很好。另外,我們還研究了基面層錯之間的想換轉(zhuǎn)換機制。通過分析相轉(zhuǎn)換過程中所伴隨的廣義層錯能曲線的變化趨勢及其相應的原子滑移示意圖,我們發(fā)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換過程中所跨過的能量勢壘的大小與原子滑移過程中相鄰原子層之間原子的排列情況有關(guān)。同時,由能量曲線的變化情況來看,同一種轉(zhuǎn)換機制的正逆兩個方向上的相轉(zhuǎn)換所對應的能量勢壘的大小是不同的。例如:I_1?E的相轉(zhuǎn)換過程跨過的勢壘大小是0.073 J/m2,而實現(xiàn)E?I_1的相轉(zhuǎn)換所跨越的能量勢壘是0.56J/m2,這說明轉(zhuǎn)換機制E?I_1的實現(xiàn)過程要比I_1?E的實現(xiàn)過程困難一些。(2)長周期堆垛序結(jié)構(gòu)之間相轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)換路徑通過第一性原理的研究,我們主要研究了長周期堆垛序列Mg之間的相互轉(zhuǎn)換機制。通過對各種長周期堆垛序列結(jié)構(gòu)的堆垛特征的仔細觀察,并結(jié)合密排六方(hcp)金屬晶格結(jié)構(gòu)的滑移特性,我們在理論上系統(tǒng)地研究了這些長周期序列結(jié)構(gòu)之間發(fā)生相轉(zhuǎn)換的具體的轉(zhuǎn)換路徑,并給出了轉(zhuǎn)換路徑下相應的原子滑移示意圖。在此過程中,我們主要以實現(xiàn)相應相轉(zhuǎn)換過程的轉(zhuǎn)換路徑所對應的廣義層錯能曲線的變化情況來研究相應的轉(zhuǎn)換機制。與此同時,我們還討論了真空層對長周期堆垛序列結(jié)構(gòu)之間相轉(zhuǎn)換過程實現(xiàn)的難以程度的影響。另外,在分析相轉(zhuǎn)換過程所對應的滑移路徑時,我們根據(jù)長周期堆垛序列的堆垛特征提出了兩種潛在的原子滑移模式(S mode和M mode)。對于具有多條轉(zhuǎn)換路徑的相轉(zhuǎn)換機制,我們通過比較轉(zhuǎn)換過程中所對應的廣義層錯能曲線的能量勢壘的大小來實現(xiàn)路徑的優(yōu)化。在路徑優(yōu)化過程中,由于在沒有真空層的情況下轉(zhuǎn)換機制2H?6H_2、6H_1?6H_2、14H_4?14H_2以及14H_4?14H5在M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下所對應的廣義層錯能曲線的能量勢壘和其在S滑移模式下所揭示的轉(zhuǎn)換路徑中所對應的廣義層錯能曲線的能量勢壘大小一致,因此,在沒有真空層的情況下,M和S兩種滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑對這些轉(zhuǎn)換機制具有等效性。然而,在考慮真空層的情況下,這些相轉(zhuǎn)換機制在M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下實現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時所對應的廣義層錯能曲線的能量勢壘遠遠大于其在S滑移模式下實現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時所跨越的勢壘值。由此可見,在考慮真空層的情況下,由S滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑對這些相轉(zhuǎn)換機制來說是比較優(yōu)化的。對2H?6H_1和14H_1?14H3而言,不論在計算過程中有沒有考慮真空層,其在M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下實現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時所對應的能量勢壘值遠小于其在S模式下的能量勢壘值。類似地,18R1?18R2和14H_2?14H5在M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下實現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時所對應的能量勢壘值遠大于其在S滑移模式下實現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時所對應的能量勢壘值。因此,對于這些相轉(zhuǎn)換機制來說,真空層只影響到轉(zhuǎn)換過程中能量曲線基本形狀的變化情況,而對路徑的優(yōu)化過程并沒有產(chǎn)生決定性的影響。
【關(guān)鍵詞】：金屬Mg 基面層錯 長周期堆垛序結(jié)構(gòu) 相轉(zhuǎn)換機制 第一性原理計算
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.22
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 緒論9-16
• 1.1 前言9-12
• 1.2 金屬Mg中層錯能的研究12-14
• 1.2.1 層錯能的概念及研究意義12-13
• 1.2.2 關(guān)于層錯能的研究進展13-14
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容及意義14-16
• 2 金屬Mg中的基面層錯及其相變的研究16-26
• 2.1 引言16
• 2.2 計算方法及模型16-19
• 2.3 金屬Mg中的基面層錯及基面滑移機制19-21
• 2.4 堆垛層錯之間的相互轉(zhuǎn)化21-25
• 2.5 本章小結(jié)25-26
• 3 金屬Mg中長周期序結(jié)構(gòu)之間相轉(zhuǎn)換的第一性原理研究26-56
• 3.1 引言26-28
• 3.2 計算方法28
• 3.3 計算結(jié)果與分析討論28-54
• 3.3.1 長周期堆垛序列Mg的層錯能及兩種潛在的滑移模式29-33
• 3.3.2 2H-Mg與各種長周期堆垛序結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換路徑33-40
• 3.3.3 相同長周期相的不同微觀堆垛結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換路徑40-50
• 3.3.4 不同長周期堆垛序列結(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)化50-54
• 3.4 本章小結(jié)54-56
• 4 結(jié)論與展望56-59
• 4.1 本文的主要結(jié)論56-57
• 4.2 后續(xù)工作的展望57-59
• 致謝59-60
• 參考文獻60-67
• 附錄67
• A. 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文67
• B. 攻讀碩士期間參加的科研項目67
• C. 攻讀碩士期間參加的學術(shù)會議67
• D. 攻讀碩士期間獲得的獎勵67

【參考文獻】

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3 余琨,黎文獻,李松瑞,譚敦強;含稀土鎂合金的研究與開發(fā)[J];特種鑄造及有色合金;2001年01期

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 徐泓鷺;密排六方結(jié)構(gòu)（hcp）Mg的塑性變形行為計算模擬初步探究[D];上海交通大學;2014年

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本文編號：1019657