本文關(guān)鍵詞：基于第一性原理和分子動力學(xué)的鎂合金強韌化基礎(chǔ)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：交通工具、航空航天設(shè)備輕量化有利于減少溫室氣體的排放。鎂的密度約為鋁合金的2/3,鋼鐵的1/4,有著廣闊的應(yīng)用前景。然而,由于鎂合金面臨著塑性較低和強度較低的雙重問題,以致其使用量遠不及鋼鐵和鋁合金。從微觀層次來看,材料的塑性和強度取決于位錯的滑移、孿晶的演變以及裂紋的擴展。從改善塑性的角度�？梢酝ㄟ^添加合金元素,調(diào)控鎂合金的廣義層錯能、裂紋形成能,進而影響其位錯行為和裂紋行為。本文探討了第一性原理計算過程中,弛豫參數(shù)對廣義層錯能計算結(jié)果的影響。然后基于第一性原理,模擬了鎂合金中合金元素對廣義層錯能的影響(涉及到的滑移系包括:}0001{0110??、}0011{0211??、}2211{3211??),對I1層錯能的影響,以及對}0001{表裂紋形成能的影響。并基于模擬結(jié)果,討論了合金元素對鎂合金變形模式的影響。包括:基面位錯的運動模式、非基面位錯開啟的難易程度、模式I下的本征塑性。從提高強度的角度。鎂合金中最容易開啟的變形模式為基面位錯和}2110{孿晶。傳統(tǒng)的強化方案大多是從阻礙基面滑移的角度入手,關(guān)于}2110{孿晶的強化機制研究得不多。本文從第一原理的角度,模擬了合金元素的}2110{孿晶偏聚能以及擴散激活能,討論了利用合金元素對}2110{孿晶進行強化的潛力。另外,從分子動力學(xué)的角度研究了}2110{孿晶界面的演變,以及基面層錯對}2110{孿晶的阻礙作用,探討了利用基面層錯對}2110{孿晶進行強化的可能性。主要結(jié)論如下:①為了對廣義層錯能進行相對精確的模擬,需要引入沿z方向(垂直于滑移面)的弛豫,特別是對于晶面間距較小的滑移系,也就是高指數(shù)面。如果滑移方向兩邊的原子分布不對稱(例如:}2211{3211??滑移系),需要引入沿y方向(在滑移面內(nèi)同時垂直于滑移方向)的弛豫。②合金元素Ag、Al、Dy、Er、Gd、Ho、Lu、Mn、Nd、Sc、Sm、Y、Zn、Zr可明顯升高基面的裂紋形成能,有利于抑制裂紋的擴展。合金元素Al、Bi、Ca、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、In、Lu、Nd、Pb、Sm、Sn、Y、Yb可明顯降低I1層錯能,有利于提高I1層錯的密度,也就是說可以通過增加}2211{3211??位錯形核點的方式來改善塑性,同時還能從阻礙}2110{孿晶的角度來增加強度。對于}0001{0110??滑移系,合金元素Al、Bi、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、In、Lu、Nd、Pb、Sc、Sm、Sn、Y、Yb、Zr使得基面位錯的運動模式傾向于連續(xù)錯排機制,可以提高I2層錯的密度,也就是說可以從阻礙}2110{孿晶的角度來增加強度。對于}0011{0211??滑移系,合金元素Ca、Dy、Er、Gd、Ho、Lu、Nd、Sm、Y、Yb顯著降低其非穩(wěn)定層錯能,意味添加這些合金元素有利于降低該滑移系的臨界分切應(yīng)力。對于}2211{3211??滑移系,考察了合金元素對其分解行為的影響、對形核點數(shù)量的影響、對形核難度的影響、以及位錯形核與裂紋擴展之間的競爭,發(fā)現(xiàn)合金元素Ag、Al、Ca、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、Li、Lu、Nd、Sm、Y、Yb、Zn有利于}2211{3211??滑移系的開啟并提高鎂合金的本征塑性。③綜合考慮了合金元素在}2110{孿晶界面的偏聚能和擴散激活能,構(gòu)建了孿晶偏聚強化設(shè)計圖(圖5.6)。該圖左下角的元素體現(xiàn)較強的孿晶偏聚強化潛力,包括Nd、Sm、Gd、Dy和Yb。④探討了BP界面的形核和長大機理。由于鎂合金中}2110{孿晶位錯的柏氏矢量較小(約為~0.498?),所以孿晶位錯滑移到自由表面后不能“離開”晶格并在表面形成一個臺階,轉(zhuǎn)而形成BP界面。在接下來的變形過程中,伴隨著更多孿晶位錯的達到,BP界面可通過吸納孿晶位錯而變寬。⑤在較大規(guī)模體系下(~200萬個原子),分析了孿晶位錯(bTB)和BP界面位錯(bBP)的形態(tài)。結(jié)果表明,這兩種位錯都能在滑移過程中發(fā)生彎曲而呈弧形,這意味著和基體位錯類似,bTB和bBP有“繞過”障礙物的可能性。⑥分子動力學(xué)模擬結(jié)果顯示,I1層錯和I2層錯對}2110{孿晶有明顯的強化作用,其中I1層錯的強化效果強于I2層錯。
【關(guān)鍵詞】：鎂合金 第一性原理 分子動力學(xué) 層錯 孿晶
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.22
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 緒論11-37
• 1.1 研究背景11
• 1.2 鎂合金簡介11-13
• 1.2.1 鑄造鎂合金11-12
• 1.2.2 變形鎂合金12-13
• 1.3 鎂合金中的變形模式13-21
• 1.3.1 基面位錯14-16
• 1.3.2 柱面位錯16-17
• 1.3.3 位錯17-19
• 1.3.4 {1012} 孿晶19-21
• 1.4 合金化與力學(xué)性能21-26
• 1.4.1 合金化與塑性22-24
• 1.4.2 合金化與強度24-26
• 1.5 第一性原理和分子動力學(xué)在鎂合金領(lǐng)域的應(yīng)用26-35
• 1.5.1 第一性原理在鎂合金領(lǐng)域的應(yīng)用26-30
• 1.5.2 分子動力學(xué)在鎂合金領(lǐng)域的應(yīng)用30-35
• 1.6 課題的意義和主要研究內(nèi)容35-37
• 1.6.1 研究意義35-36
• 1.6.2 主要研究內(nèi)容36-37
• 2 工具軟件及參數(shù)設(shè)置37-39
• 2.1 VASP37-38
• 2.2 LAMMPS38
• 2.3 VESTA38
• 2.4 OVITO38-39
• 3 弛豫參數(shù)對廣義層錯能計算結(jié)果的影響39-51
• 3.1 引言39-40
• 3.2 模擬細節(jié)40-41
• 3.3 模擬結(jié)果41-44
• 3.3.1 {0001} <1010> 滑移系41
• 3.3.2 {1100} <1120>滑移系41-44
• 3.3.3 {1122} <1123>滑移系44
• 3.4 討論44-49
• 3.4.1 沿z方向的弛豫對廣義層錯能（GSFE）計算結(jié)果的影響44-46
• 3.4.2 沿y方向的弛豫對廣義層錯能（GSFE）計算結(jié)果的影響46-49
• 3.5 本章小結(jié)49-51
• 4 合金元素對廣義層錯能、裂紋形成能的影響51-71
• 4.1 引言51
• 4.2 模擬細節(jié)51-55
• 4.3 模擬結(jié)果55-60
• 4.3.1 {0001} 表面能（裂紋形成能）55-56
• 4.3.2 I_1層錯能56-57
• 4.3.3 {0001} <1010>滑移系57-58
• 4.3.4 {1100} <1120>滑移系58-59
• 4.3.5 {1122} <1123>滑移系59-60
• 4.4 合金元素對變形模式的影響60-68
• 4.4.1 基面位錯60-62
• 4.4.2 非基面位錯62-68
• 4.5 本章小結(jié)68-71
• 5 孿晶偏聚能與溶質(zhì)原子擴散激活能71-83
• 5.1 引言71-73
• 5.2 模擬細節(jié)73-76
• 5.3 模擬結(jié)果76-78
• 5.3.1 {1012} 孿晶偏聚能77
• 5.3.2 擴散激活能77-78
• 5.4 合金元素對 {1012} 孿晶界面的強化潛力78-81
• 5.5 本章小結(jié)81-83
• 6 基面層錯對 {1012} 孿晶的強化作用83-101
• 6.1 引言83-84
• 6.2 模擬細節(jié)84-86
• 6.3 結(jié)果與分析86-99
• 6.3.1 {1012} 孿晶的演變86-94
• 6.3.2 基面層錯對 {1012} 孿晶的強化作用94-99
• 6.4 本章小結(jié)99-101
• 7 總結(jié)與展望101-105
• 7.1 主要結(jié)論101-102
• 7.2 主要創(chuàng)新點102
• 7.3 后續(xù)工作及展望102-105
• 致謝105-107
• 參考文獻107-123
• 附錄123
• A. 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄123
• B. 作者在攻讀博士學(xué)位期間所獲獎項123

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本文編號：390855