Mg-Al-Ca Laves相和Mg-Al-Sb合金的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能.pdf

1、鎂合金是目前實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,它具有密度小、高比強(qiáng)度、高比剛度、優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、良好的尺寸穩(wěn)定性、電磁屏蔽性和易于回收等特性。在過(guò)去的十幾年,鎂合金越來(lái)越受到人們的關(guān)注,在電子、汽車(chē)和航空航天等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。然而,由于鎂本身易氧化、易燃燒以及有限的高溫力學(xué)性能,使得經(jīng)濟(jì)實(shí)用型的鎂合金在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍很有限。所以提高鎂合金的室溫和高溫強(qiáng)度是鎂合金研究中要解決的首要問(wèn)題。大量實(shí)驗(yàn)研究表明,在鎂合金中加入稀土元素可

2、以明顯改善鎂合金的機(jī)械性能。然而,大多數(shù)稀土元素都很昂貴,為了得到經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性能良好的鎂合金,人們進(jìn)行了一些有效的探索。
　　本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法,首先研究了Mg-Al-Ca合金中二元Laves相,比如CaMg2,CaAl2和MgAl2在不同形態(tài)結(jié)構(gòu)(C14,C15和C36)下的晶體及電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。計(jì)算所得到的晶格常數(shù)很好的吻合了實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)。形成能及相關(guān)能的計(jì)算表明C15-CaAl2Laves相具有很好

3、的合金化能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。態(tài)密度和電荷密度的計(jì)算從微觀上進(jìn)一步分析了C15-CaAl2具有很好的合金化能力和穩(wěn)定性的根源。彈性常數(shù)的計(jì)算和力學(xué)性能的分析表明C14-MgAl2具有很好的延展性,C15-MgAl2具有很好的塑性。
　　接著研究了Mg-Al-Ca合金中三元Laves相,即Ca(Mg1-x,Alx)2和Al2(Ca1-x,Mgx)(x=0,0.25,0.50,0.75,1)在不同形態(tài)結(jié)構(gòu)(C14,C15和C36)下的相穩(wěn)

4、定性及電子結(jié)構(gòu)。計(jì)算所得的晶格常數(shù)和實(shí)驗(yàn)值吻合很好。形成能和相關(guān)能的計(jì)算用來(lái)研究三元Laves相的合金化能力和穩(wěn)定性,結(jié)果表明:在所有三元Laves相中,C14-Ca(Mg0.25,Al0.75)2具有最好的合金化能力。態(tài)密度和電荷密度的計(jì)算用來(lái)研究Mg-Al-Ca合金中三元Laves相穩(wěn)定性的內(nèi)在微觀機(jī)制。
　　文章還運(yùn)用第一性原理研究了Mg-Al-Sb合金中典型沉淀相α-Mg3Sb2的幾何、電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到的晶

5、格常數(shù)和形成能與實(shí)驗(yàn)值符合很好。電子結(jié)構(gòu)分析表明具有半導(dǎo)體性質(zhì)的α-Mg3Sb2帶隙為0.303eV,是間接帶隙半導(dǎo)體。通過(guò)計(jì)算得到了α-Mg3Sb2的彈性常數(shù),進(jìn)而得到模量、泊松比等力學(xué)參數(shù),對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)α-Mg3Sb2有很好的延展性而塑性相對(duì)較差。通過(guò)對(duì)α-Mg3Sb2在施加應(yīng)變前后態(tài)密度的變化分析,發(fā)現(xiàn)對(duì)于六角結(jié)構(gòu)的α-Mg3Sb2,(C11-C12)/2和C44對(duì)體積變化保守,而與剪切模量相關(guān)的C11+C12、C33/