金屬M(fèi)g的基面層錯(cuò)及虛擬長(zhǎng)周期序結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)換第一性原理研究.pdf

1、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(duì)其所表現(xiàn)出來的功能特性有很大的決定作用。然而，在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域完美的晶格結(jié)構(gòu)是不存在的。也就是說，在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)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(diǎn)缺陷（位錯(cuò)）、線缺陷（層錯(cuò)）及面缺陷，這些缺陷的存在在一定程度上也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。其中位錯(cuò)是材料中最基本的一種缺陷，并且層錯(cuò)的形成也會(huì)與部分位錯(cuò)的滑移有著密切的關(guān)系。在相關(guān)的研究領(lǐng)域，人們對(duì)材料中

2、位錯(cuò)的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)深入的層次。然而，有些材料中層錯(cuò)的研究處于初步探索的階段。因此，為了進(jìn)一步研究材料中層錯(cuò)的一些性質(zhì)，我們主要選取金屬M(fèi)g作為研究對(duì)象。本文主要研究了金屬M(fèi)g中的基本基面層錯(cuò)和長(zhǎng)周期堆垛序列結(jié)構(gòu)，其中長(zhǎng)周期堆垛序列結(jié)構(gòu)本質(zhì)上就是由基面層錯(cuò)所組成的多層錯(cuò)序列結(jié)構(gòu)，也是當(dāng)前在實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(xué)性能，同時(shí)也為其在現(xiàn)

3、代工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步的應(yīng)用起到了促進(jìn)和拓展的作用。具體的內(nèi)容如下：
　?。?）基面層錯(cuò)及其相互轉(zhuǎn)換機(jī)制
　　基于密度泛函理論上的第一性原理計(jì)算，我們從理論的角度對(duì)金屬M(fèi)g中的基面層錯(cuò)（I1、I2、E和T2）做了詳細(xì)的研究，并得出了這些基面層錯(cuò)的穩(wěn)定層錯(cuò)能和不穩(wěn)定層錯(cuò)能。通過與先前的理論值和實(shí)驗(yàn)值相比較，我們的計(jì)算結(jié)果與之吻合的很好。另外，我們還研究了基面層錯(cuò)之間的想換轉(zhuǎn)換機(jī)制。通過分析相轉(zhuǎn)換過程中所伴隨的廣義層錯(cuò)能曲線的變化趨勢(shì)

4、及其相應(yīng)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(shì)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(shí)，由能量曲線的變化情況來看，同一種轉(zhuǎn)換機(jī)制的正逆兩個(gè)方向上的相轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)的能量勢(shì)壘的大小是不同的。例如：I1?E的相轉(zhuǎn)換過程跨過的勢(shì)壘大小是0.073 J/m2，而實(shí)現(xiàn) E?I1的相轉(zhuǎn)換所跨越的能量勢(shì)壘是0.56 J/m2，這說明轉(zhuǎn)換機(jī)制E?I1的實(shí)現(xiàn)過程要比I1?E的實(shí)現(xiàn)過程困難一些。
　?。?）長(zhǎng)周期堆垛序

5、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(zhǎng)周期堆垛序列Mg之間的相互轉(zhuǎn)換機(jī)制。通過對(duì)各種長(zhǎng)周期堆垛序列結(jié)構(gòu)的堆垛特征的仔細(xì)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?cè)诶碚撋舷到y(tǒng)地研究了這些長(zhǎng)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(yīng)的原子滑移示意圖。在此過程中，我們主要以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)相轉(zhuǎn)換過程的轉(zhuǎn)換路徑所對(duì)應(yīng)的廣義層錯(cuò)能曲線的變化情況來研究相應(yīng)的轉(zhuǎn)換機(jī)制。與此同時(shí)，我們

6、還討論了真空層對(duì)長(zhǎng)周期堆垛序列結(jié)構(gòu)之間相轉(zhuǎn)換過程實(shí)現(xiàn)的難以程度的影響。另外，在分析相轉(zhuǎn)換過程所對(duì)應(yīng)的滑移路徑時(shí)，我們根據(jù)長(zhǎng)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(duì)于具有多條轉(zhuǎn)換路徑的相轉(zhuǎn)換機(jī)制，我們通過比較轉(zhuǎn)換過程中所對(duì)應(yīng)的廣義層錯(cuò)能曲線的能量勢(shì)壘的大小來實(shí)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(jī)制2H?6H2、6H1?6H2、14H4?14H2以及14H4?

7、14H5在 M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下所對(duì)應(yīng)的廣義層錯(cuò)能曲線的能量勢(shì)壘和其在 S滑移模式下所揭示的轉(zhuǎn)換路徑中所對(duì)應(yīng)的廣義層錯(cuò)能曲線的能量勢(shì)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(duì)這些轉(zhuǎn)換機(jī)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(jī)制在M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時(shí)所對(duì)應(yīng)的廣義層錯(cuò)能曲線的能量勢(shì)壘遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在 S滑移模式下實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時(shí)所跨越的勢(shì)壘值。由此可見，在考慮真空層的情況下

8、，由 S滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑對(duì)這些相轉(zhuǎn)換機(jī)制來說是比較優(yōu)化的。對(duì)2H?6H1和14H1?14H3而言，不論在計(jì)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(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時(shí)所對(duì)應(yīng)的能量勢(shì)壘值遠(yuǎn)小于其在S模式下的能量勢(shì)壘值。類似地，18R1?18R2和14H2?14H5在M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時(shí)所對(duì)應(yīng)的能量勢(shì)壘值遠(yuǎn)大于其在 S滑移模式下實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時(shí)所對(duì)應(yīng)的能量勢(shì)壘值。因此，對(duì)于這些相轉(zhuǎn)換機(jī)制來說，真空層只影響到