稀土鎂合金的第一性原理計(jì)算及組織性能研究.pdf

1、稀土元素(Rare Earth,簡(jiǎn)稱(chēng) RE)常被作為鎂合金的合金元素加入鑄造鎂合金中,在保留鎂金屬本身密度低、比強(qiáng)度高、彈性模量高和剛性好等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),還可以改善鎂合金的拉伸性能、蠕變性能和鑄造性能等。其中Sm因用量少且作用較為顯著而逐漸引起眾多研究者的重視,但目前對(duì)Mg-Sm系合金的研究很少,因此有必要加強(qiáng)對(duì)Mg-Sm系合金的研究。
　　本文從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)兩方面出發(fā),使用第一性原理對(duì)Mg-RE(RE=Y, La, Sm)固溶體

2、的力學(xué)性能和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算以研究Mg與RE原子之間的相互作用及其影響;同時(shí)以鑄造Mg-xSm-Zn-Zr(x=2,4,6,8wt.％)合金為基礎(chǔ),系統(tǒng)地研究了其顯微組織、力學(xué)性能、斷裂行為和時(shí)效析出相的演變過(guò)程。
　　對(duì)Mg-RE(RE=Y, La, Sm)固溶體的力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果表明,置換Y后韌性得到提高,置換Sm后固溶體變硬,但同時(shí)脆性增加,而La的加入對(duì)原來(lái)影響不大。對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算解釋了這一現(xiàn)象:Mg53RE固溶體中

3、Mg和RE之間都發(fā)生了不同程度的電子雜化。由于Sm的外層f電子在態(tài)密度曲線中形成了一個(gè)窄而強(qiáng)的峰,Mg-Sm之間的電子雜化最強(qiáng),同時(shí)也具有很強(qiáng)的方向性,使其性質(zhì)更傾向于共價(jià)鍵的特征,因此脆性增加;而Mg-Y與Mg-La相比,由于Y的p電子減弱了雜化,造成Mg-Y原子間相互作用方向性減弱,因此韌性增加。
　　在探索性的對(duì)純鎂的層錯(cuò)堆垛力學(xué)性能的計(jì)算中,ABC和ABAC和發(fā)生層錯(cuò)前的AB相比,在楊氏模量E提高的同時(shí),泊松比下降,這說(shuō)明

4、純鎂發(fā)生ABC與ABAC堆垛后變硬,韌性下降;而ABACAB的E下降,同時(shí)泊松比提高,表明其與AB堆垛形式相比更軟,更容易變形。
　　鑄態(tài)Mg-xSm-0.4Zn-0.3Zr(x=2,4,6,8wt.%)合金微觀組織由α-Mg和分布在晶界附近的Mg41Sm5共晶第二相構(gòu)成,且隨著Sm含量的升高,第二相也逐漸增多,形貌也由層片狀變成連續(xù)塊狀。經(jīng)過(guò)525℃、8h固溶處理后,第二相消失,在晶界附近發(fā)現(xiàn)規(guī)則的方塊狀相,該相主要為Sm的固溶

5、體。Sm具有較強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化作用,Sm含量越高,峰值時(shí)效硬度越高,到達(dá)峰值時(shí)效的時(shí)間也越短。時(shí)效溫度越高,達(dá)到峰值時(shí)效越快,但同時(shí)峰值時(shí)效硬度也越低。
　　隨著 Sm元素含量的增加,鑄態(tài)、固溶態(tài)和峰時(shí)效態(tài)的Mg-Sm-Zn-Zr合金總體呈屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高而延伸率下降的規(guī)律。固溶處理后,各成分合金屈服強(qiáng)度都略有下降,而由于延伸率的大幅提高,抗拉強(qiáng)度也隨之上升。T6處理后屈服強(qiáng)度普遍大幅增加,Sm含量為2,8wt.%的合金抗拉強(qiáng)度

6、下降,而含量為4,6wt.%的合金抗拉強(qiáng)度上升。綜合對(duì)比,Sm含量為4wt.%時(shí)力學(xué)性能最佳。鑄態(tài)合金 Mg-6Sm-0.4Zn-0.3Zr斷裂方式為沿晶斷裂,二次裂紋萌生位置主要在晶界處,特別是共晶組織中;T4態(tài)合金為解理斷裂,二次裂紋主要存在于晶內(nèi);T6處理后合金表現(xiàn)出混合型斷裂的特征,二次裂紋明顯減少,主要存在于晶界附近。
　　Mg-6Sm-0.4Zn-0.3Zr合金的225℃等溫時(shí)效析出過(guò)程如下:β″(D019)相析出;在