本文關(guān)鍵詞：合金元素?fù)诫s對(duì)鎂基體強(qiáng)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(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好、機(jī)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(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。隨著鎂合金的發(fā)展及應(yīng)用，人們對(duì)其力學(xué)性能的要求愈來(lái)愈高；因此提高鎂合金強(qiáng)度已經(jīng)成為其發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 合金化是改善金屬內(nèi)部微觀組織，獲得高強(qiáng)韌性鎂合金最有效的方法之一；然而當(dāng)前有關(guān)合金元素對(duì)鎂基體性質(zhì)的影響規(guī)律和作用機(jī)制的系統(tǒng)研究尚不完備。鎂合金中常見(jiàn)的合金元素有Al、Zn、Sn、Ca、Zr和RE等。本文基于第一性原理計(jì)算，研究了16種合金元素對(duì)鎂基體強(qiáng)化效果的影響規(guī)律，為其強(qiáng)化成分設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，，從電子結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的角度分析了強(qiáng)化原因，探討摻雜元素原子半徑和價(jià)電子數(shù)對(duì)強(qiáng)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(duì)鎂基體理想抗拉強(qiáng)度的影響； 目前，合金元素的分布情況對(duì)鎂基體強(qiáng)化效果的影響規(guī)律尚不明確，通過(guò)傳統(tǒng)的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)樣品，而第一性原理模擬的方法可以有效解決此問(wèn)題；因此，本文采用第一性原理模擬的方法重點(diǎn)研究Al、Zn元素的分布情況對(duì)鎂基體強(qiáng)化效果的影響是很有意義的。本文開(kāi)展鎂合金強(qiáng)化的第一性原理研究旨在為其強(qiáng)化設(shè)計(jì)提供理論支撐和依據(jù)。主要結(jié)論如下： (1)基于第一性原理計(jì)算，對(duì)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(jìn)行拉伸模擬，研究了16種合金元素?fù)诫s對(duì)鎂基體拉伸屈服階段強(qiáng)化效果的影響規(guī)律，為高強(qiáng)鎂合金成分設(shè)計(jì)提供依據(jù)；應(yīng)用電子差分圖和態(tài)密度解釋了其強(qiáng)化機(jī)制。合金元素?fù)诫s對(duì)鎂基體拉伸屈服階段的強(qiáng)化效果明顯，Ti、Al、Zn、Pb、Ca等元素的強(qiáng)化效果尤為突出；當(dāng)應(yīng)變值在0.04-0.08之間時(shí)，在鎂基體中摻雜比鎂原子半徑小的合金元素相對(duì)于摻雜比鎂原子半徑大的合金元素的強(qiáng)化效果更好；摻雜元素的價(jià)電子數(shù)大于鎂時(shí)，摻雜原子附近鎂原子周圍的電子傾向于向摻雜原子處轉(zhuǎn)移、偏聚，隨著其價(jià)電子數(shù)增多，合金元素的強(qiáng)化效果減弱；摻雜元素的價(jià)電子數(shù)小于鎂時(shí)，摻雜原子周圍的電子傾向于向鎂原子處轉(zhuǎn)移、偏聚，隨著其價(jià)電子數(shù)減少，合金元素的強(qiáng)化效果減弱。 (2)選取較小的Zn原子和較大的Ca原子，經(jīng)過(guò)計(jì)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(duì)鎂合金拉伸理想抗拉強(qiáng)度的影響。對(duì)于理想抗拉強(qiáng)度值：Mg52Ca2 Mg52Zn1Ca1Mg52Zn2，表明在鎂基體中摻雜Ca、Zn原子時(shí)，同時(shí)摻雜兩個(gè)Ca原子的強(qiáng)化效果最好，同時(shí)摻雜一個(gè)Zn原子和一個(gè)Ca原子的強(qiáng)化效果次之，上述兩種情況都好于同時(shí)摻雜兩個(gè)Zn原子的強(qiáng)化效果。即從理論計(jì)算的角度看在鎂合金的拉伸階段，Ca元素的強(qiáng)化效果好于Zn元素。Zn、Ca原子共摻能夠抵消單獨(dú)摻雜時(shí)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(duì)其進(jìn)行拉伸模擬，揭示了合金元素的分布情況對(duì)鎂基體強(qiáng)化效果的影響規(guī)律；應(yīng)用電子差分圖和態(tài)密度解釋了其強(qiáng)化機(jī)制。在鎂基體中，Al、Zn元素均勻分布時(shí)，其理想抗拉強(qiáng)度值高于合金元素偏聚分布；合金元素均勻分布時(shí)強(qiáng)化效果更顯著，說(shuō)明了均勻化熱處理的必要性；在鎂基體中Al元素的強(qiáng)化效果要好于Zn元素；Mg51Al3(I-IV)晶體結(jié)構(gòu)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(qiáng)化了Mg-Al鍵，削弱了晶胞中的Mg-Mg鍵。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG146.22

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