Ti-Al合金和MG-Zn-Y合金中典型長周期相的力學(xué)性能研究.pdf

1、Ti-Al合金具有高強(qiáng)度、高模量、輕質(zhì)量、低密度、好的熱導(dǎo)性、高熔點(diǎn)、強(qiáng)抗氧化和抗腐蝕等優(yōu)異的性能。作為最具前景的高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料之一，Ti-Al合金被廣泛運(yùn)用于航空航天、高鐵和汽車等行業(yè)。然而，由于其室溫脆性大，延展性較差，極大地阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。作為優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，鎂合金密度低、比強(qiáng)度高，在航空航天、運(yùn)輸工具、電子器材等方面得到了廣泛運(yùn)用。然而低的拉伸強(qiáng)度和差的延展性仍然限制了鎂合金的運(yùn)用。最近研發(fā)的Mg-Zn-Y合金體系在提

2、高鎂基合金力學(xué)行為方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)異性能。通過快速凝固/粉末冶金研制而成的新納米晶Mg97Zn1Y2合金展示了優(yōu)異的高溫?zé)岱€(wěn)定性和力學(xué)性能，其室溫屈服強(qiáng)度高達(dá)610MPa，延伸率為5％。研究表明Ti-Al合金和Mg-Zn-Y合金中含有大量結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特的長周期相，且這些長周期相的存在極大地改善了合金的力學(xué)性能。
　　 本文基于密度泛函理論第一性原理計(jì)算研究了Ti-Al合金和Mg-Zn-Y合金中典型長周期相的晶格常數(shù)、形成焓、彈

3、性常數(shù)、體模量、剪切模量、楊氏模量、泊松比、彈性各向異性、拉伸應(yīng)力應(yīng)變及剪切應(yīng)力應(yīng)變等性質(zhì)。并從電荷密度分布、態(tài)密度、原子間相互作用、化學(xué)成鍵等電子原子水平揭示電子結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，闡明了相關(guān)機(jī)理?；诿芏确汉碚摰谝恍栽碛?jì)算研究了富鋁Ti-Al合金中典型長周期相Al5Ti3，h-Al2Ti和r-Al2Ti的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、彈性和電子性能，同時(shí)還對(duì)γ-TiAl也進(jìn)行了相關(guān)研究。弛豫晶胞后所得晶格參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得非常好

4、。計(jì)算所得的形成焓表明，從能量觀點(diǎn)來看，在這幾種結(jié)構(gòu)中r-Al2Ti的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，然后是h-Al2Ti、Al5Ti3和γ-TiAl。計(jì)算得到的彈性常數(shù)表明，這些結(jié)構(gòu)都是力學(xué)穩(wěn)定的?；趶椥猿?shù)，進(jìn)一步計(jì)算得到了這些相的多晶體模量、剪切模量、楊氏模量和泊松比。通過不同的衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)彈性各向異性也進(jìn)行了分析討論，表明這些長周期相都具有不同程度的各向異性。電子態(tài)密度和電荷密度分布表明由于Al-2p和Ti-3d之間強(qiáng)烈地雜化導(dǎo)致Ti原子和Al原

5、子之間存在很強(qiáng)的方向鍵。運(yùn)用第一性原理計(jì)算系統(tǒng)研究了Al3Ti合金中七種典型一維長周期相的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和電子性能，并詳細(xì)分析了反相邊界周期參數(shù)M'對(duì)各種性能的影響。隨著M'的增加，這些一維長周期結(jié)構(gòu)的晶格參數(shù)a逐漸減小，而c*，c*/a和V0呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。在小應(yīng)變下，計(jì)算所得的彈性常數(shù)C11逐漸變大，而C12、C44和C66也呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。這些一維長周期相的體模量B對(duì)反相邊界周期參數(shù)M'的依賴性不強(qiáng)。但隨著M'的增加，剪切

6、模量G和楊氏模量E都逐漸增加，而泊松比和比值B/G都逐漸減小。另外，Ga逐漸增加，而Qc/Ga卻呈下降趨勢(shì)。相反，Ea逐漸減小，而Ec/Ea卻呈上升趨勢(shì)。三維方向依賴彈性模量及其平面投影表明各向異性越來越顯著。在大應(yīng)變下，計(jì)算所得的拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表明除了〈32〉，其他一維長周期相[100]方向單軸拉伸要比[00]方向容易。且隨著M'的增加，計(jì)算所得臨界拉伸應(yīng)力εm[100]表明沿著[100]方向的延展性會(huì)減小。態(tài)密度和電荷密度分析表明

7、這些一維長周期相具有金屬性和共價(jià)性復(fù)雜混合的特征。隨著M'的增加，金屬鍵會(huì)逐漸減弱，從而導(dǎo)致延展性變差;而共價(jià)鍵會(huì)慢慢增強(qiáng)，從而導(dǎo)致硬度變強(qiáng)。此外，隨著應(yīng)變的增加，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會(huì)下降。
　　 本文基于第一性原理計(jì)算研究了L10 TiAl在不同剪切過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得到了四個(gè)滑移體系的峰值剪切強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果表明L10 TiAl的理想剪切強(qiáng)度發(fā)生在（＜）11(2)]{111}方向。通過分析結(jié)構(gòu)單胞、鍵長及電荷密度，詳細(xì)討論了其剪

8、切形變模型。隨著應(yīng)變的增加，電荷密度開始減弱，原子的相互作用也開始減小。計(jì)算所得態(tài)密度表明Ti-3d和Al-2p之間有很強(qiáng)的雜化，而且隨著應(yīng)變的增加，結(jié)構(gòu)變得越來越不穩(wěn)定。理論研究了Y原子和Zn原子替換對(duì)Mg97Zn1Y2合金中6H型ABCBCB LPSO結(jié)構(gòu)彈性性能及拉伸性能的影響。在小應(yīng)變下，計(jì)算了包括彈性常數(shù)和彈性模量在內(nèi)的彈性性能，同時(shí)還討論了Y原子和Zn原子替換的影響。通過幾種方法對(duì)彈性各向異性進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明壓縮彈性各向

9、異性幾乎可以忽略不計(jì)，而剪切各向異性相對(duì)而言比較明顯，且Zn原子替換比Y原子替換導(dǎo)致的各向異性更加顯著。在大應(yīng)變下，計(jì)算了拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。結(jié)果表明當(dāng)應(yīng)變很小時(shí)，Mg95Zn比Mg95Y的楊氏模量各向異性要大，而當(dāng)應(yīng)變較大時(shí)，Mg95Zn比Mg95Y的峰值拉伸應(yīng)力要小。Mg95Y和Mg95Zn的理想拉伸強(qiáng)度都發(fā)生在〈11(2)0〉方向，且Zn原子替換會(huì)導(dǎo)致理想拉伸強(qiáng)度的增加。電子結(jié)構(gòu)表明Mg-Y和Mg-Zn鍵由于雜化而呈現(xiàn)出共價(jià)特征，因