鎂合金液固結構相關性的第一性原理研究.pdf

1、本文選取Mg基二元合金為研究對象，采用第一性原理計算方法，首先研究了合金元素的置換式固溶對Mg結構的影響規(guī)律。并結合第一性原理分子動力學方法，深入研究了在工業(yè)上有重要地位的Mg-Li、Mg-Al二元合金系中的液固結構相關性。
　　采用第一性原理計算方法，并通過構造置換式固溶體Mg15X(X為合金元素，共53種)，研究了不同合金元素對Mg結構與力學性質的影響。與純Mg相對比，計算了置換式固溶體Mg15X的體積變化率△V％、能量變化率

2、△E％，并以此建立了Mg15X的△V％－△E％平面直角坐標系。合金元素在△V％－△E％坐標系中的分布反映了合金元素在Mg中的最大平衡固溶度與Mg結構“損傷容限”的內在聯(lián)系。并且具有周期性規(guī)律。其中主族元素的周期性排布表明，相比于原子尺寸效應，電負性差異對合金結構的影響更為顯著。進一步，結合差分電荷密度，討論了位于△V％－△E％坐標系不同象限內的合金元素對Mg力學性能的影響，并初步建立了置換式固溶體Mg15X中合金元素、結構性質、力學性能

3、三者之間的聯(lián)系。
　　采用第一性原理分子動力學的方法，研究了973K溫度下液態(tài)Mg-Li合金的局域原子結構、動力學以熱力學性質。研究發(fā)現(xiàn)，12.5 at.％～31.25 at.％Li成分區(qū)間為液態(tài)Mg-Li合金的結構轉變區(qū):Li的加入導致Mg周圍密堆積型局域原子結構向體心立方bcc型轉變，與固態(tài)下的兩相區(qū)相對應。計算得到的Mg-Li混合焓曲線在結構轉變區(qū)內存在一處拐點，從能量的角度為局域原子結構轉變提供了佐證。由于結構的轉變，Mg

4、、Li原子的自擴散系數(shù)隨合金成分的變化呈現(xiàn)出了不同的趨勢。此外，我們以轉移電荷量表征液態(tài)Mg-Li合金中Mg、Li原子間的相互作用，并根據準化學近似模型，表明了電荷轉移為影響Mg、Li原子間相互作用的關鍵因素。
　　通過第一性原理分子動力學的方法，研究了973K溫度下液態(tài)Mg-Al合金的結構性質隨合金成分的演變規(guī)律。結構性質研究表明，隨著Al含量的增加，純Mg中的密堆積型局域結構以片段的形式被保留了下來，而富Mg端中離散分布的Al

5、原子則在18.75～31.25 at.％Al成分區(qū)間內開始向Mg原子周圍發(fā)生偏聚。電子結構分析則進一步揭示了以上液態(tài)結構特征的形成機理，即增加的Al原子間趨于形成能量較低的Al-Al鍵，從而限制了Mg-Al鍵的形成。根據以上結果，Mg-Al合金的液態(tài)結構可以模型化為依附于密堆積型Mg原子片段周圍的Al原子網狀結構。此外，Mg、Al原子的自擴散系數(shù)結果顯示，Al原子網狀結構有效地限制Mg原子的擴散，進而從動力學性質的角度證明了該結構模型的

6、合理性。該結構模型為Mg-Al二元合金系中復雜金屬間化合物的研究提供了新的視角。
　　依據Mg-Al合金液態(tài)結構模型，為了揭示Mg-Al金屬間化合物中與非化學計量比特性相關聯(lián)的共有結構特征，通過第一性原理計算方法，研究了非化學計量比化合物Mg17Al12和MgAl2晶格結構中反位缺陷的占位機制。綜合考慮不同反位缺陷對結構穩(wěn)定性的影響以及各缺陷結構中的鍵合特征，Mg-Al金屬間化合物中與非化學計量比特性相關聯(lián)的共有結構特征可以通過一