鎂合金液固結(jié)構(gòu)相關(guān)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(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。并結(jié)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(jié)構(gòu)相關(guān)性。
　　采用第一性原理計算方法，并通過構(gòu)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(jié)構(gòu)與力學性質(zhì)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(jié)構(gòu)“損傷容限”的內(nèi)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(jié)構(gòu)的影響更為顯著。進一步，結(jié)合差分電荷密度，討論了位于△V％－△E％坐標系不同象限內(nèi)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(jié)構(gòu)性質(zhì)、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(jié)構(gòu)、動力學以熱力學性質(zhì)。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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變區(qū):Li的加入導致Mg周圍密堆積型局域原子結(jié)構(gòu)向體心立方bcc型轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)存在一處拐點，從能量的角度為局域原子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供了佐證。由于結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)準化學近似模型，表明了電荷轉(zhuǎn)移為影響Mg、Li原子間相互作用的關(guān)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(jié)構(gòu)性質(zhì)隨合金成分的演變規(guī)律。結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究表明，隨著Al含量的增加，純Mg中的密堆積型局域結(jié)構(gòu)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(nèi)開始向Mg原子周圍發(fā)生偏聚。電子結(jié)構(gòu)分析則進一步揭示了以上液態(tài)結(jié)構(gòu)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(jù)以上結(jié)果，Mg-Al合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此外，Mg、Al原子的自擴散系數(shù)結(jié)果顯示，Al原子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有效地限制Mg原子的擴散，進而從動力學性質(zhì)的角度證明了該結(jié)構(gòu)模型的

6、合理性。該結(jié)構(gòu)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(jù)Mg-Al合金液態(tài)結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)的共有結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中反位缺陷的占位機制。綜合考慮不同反位缺陷對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響以及各缺陷結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)的共有結(jié)構(gòu)特征可以通過一