Mg-Y(Zn)固溶體和Mg-Ce中間相的彈性性能研究.pdf

1、輕質(zhì)鎂合金由于其高的比強(qiáng)度性能在航空航天和汽車(chē)工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。然而鎂合金的發(fā)展受到有限高溫性能的限制。因此,要求在提高鎂合金機(jī)械性能方面做出更大的努力和貢獻(xiàn)。通常,固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化是提高鎂合金強(qiáng)度的兩種方法。其中,添加合金元素已經(jīng)被認(rèn)為是優(yōu)化和改善合金機(jī)械性能至關(guān)重要的方法之一。然而,目前的研究?jī)H僅集中于實(shí)驗(yàn)方面,且添加合金元素提高機(jī)械性能的內(nèi)在機(jī)制還并不明朗,有待深入研究。
　　本論文應(yīng)用基于密度泛函理論的第一性原理方法,

2、研究了Mg-R(R=Y,Zn)固溶體和Mg-Ce鎂合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)性能和電子結(jié)構(gòu),試圖從原子尺度來(lái)解釋其強(qiáng)化機(jī)制。論文主要包括以下內(nèi)容:
　　1.應(yīng)用第一性原理計(jì)算的方法,研究了Y和Zn原子對(duì)鎂基固溶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、彈性特征的影響。采用五個(gè)超晶胞模型(Mg96,Mg95Y1,Mg94Y2,Mg95Zn1和Mg94Zn2)模擬了不同溶質(zhì)含量的固溶體。首先,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)Mg-R(R=Y,Zn)體系的晶格參數(shù)與溶質(zhì)原子的半徑

3、和數(shù)量有關(guān);通過(guò)結(jié)合能的計(jì)算發(fā)現(xiàn),Y元素的添加使固溶體的結(jié)合能顯著降低,而Zn元素卻使結(jié)合能有微弱升高。隨后計(jì)算得出了鎂固溶體的五個(gè)獨(dú)立彈性常數(shù),通過(guò)Voigt-Reuss-Hill(VRH)近似方法獲得了體模量B、剪切模量G、楊氏模量E和波松比ν,并發(fā)現(xiàn)這些模量依賴(lài)于溶質(zhì)原子的含量。另外,分析B/G值得知溶質(zhì)原子的添加提高了固溶體的延展性,且Y元素的作用強(qiáng)于Zn。最后對(duì)電子態(tài)密度的計(jì)算顯示了Y(Zn)和Mg原子間的化學(xué)鍵強(qiáng)弱與溶質(zhì)原子

4、的含量相關(guān)。
　　2.對(duì)Mg-Ce二元中間相MgCe,Mg2Ce和Mg3Ce的彈性常數(shù)和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第一性原理計(jì)算研究。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后所得的晶格常數(shù)與實(shí)驗(yàn)值符合的很好,通過(guò)結(jié)合能和形成能的計(jì)算,得出了三者的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí),三者的獨(dú)立彈性常數(shù)Cij,剪切模量G,體模量B,楊氏模量E,Cauchy壓和B/G值都得到了計(jì)算研究。通過(guò)對(duì)所得結(jié)構(gòu)的比較分析得知:在三者中Mg2Ce具有最佳的延展性和塑性,而Mg3Ce的硬度和脆性最強(qiáng)。其中彈性