合金元素掺杂下镁合金广义层错能的第一性原理研究

【摘要】镁合金由于具有低密度，高的比强度和比刚度具有良好的应用前景，尤其是汽车和航空领域，但是塑性差严重限制了其应用。因此如何提高合金的塑性是国际研究的热点之一。掺杂合金元素可以有效地改善镁合金的塑性，但是目前的研究报道很少，尤其是关于元素影响的共性规律。本文将探索合金元素对镁合金层错能的影响规律。由于Mg-Sn合金系和Mg-Zn合金系有较好的强度和韧性，因此在本文中将研究双掺元素对于这两种体系合金塑性的影响。广义层错能的大小可以用来表征滑移层滑移的难易，从而可以说明其塑性变形的能力。在密排六方结构的金属中孪生是一种重要的变形方式。孪晶一方面通过阻碍滑移和减小晶粒尺寸，从而使材料的整体强度升高,另一方面孪晶可以使晶粒部分旋转，在不利于滑移的情况下调整晶体取向而使材料获得较大的变形，因此对于孪晶的研究是非常有意义的。(1)计算了21种不同元素Li、Be、Na、Al、Si、K、Ca、Ti、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Zr、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Pb、Bi掺杂之后不同滑移系基面{0001}<1120>、柱面{1010}<1120>、锥面{1011}<1120>和{1122}<1123>的广义层错能；有很高的固溶度的Li、Cd、In、Sb、Ag、Sn、Bi元素对于改善镁合金塑性非常重要，因为它们能显著降低层错能。Be、Si、Ge、Cu、Sr、K元素尽管能显著的降低层错能，但是在Mg中的固溶度非常小，因此对于镁合金塑性改善贡献有限；Na、Pb、Ca、Al、Ga、Zn元素在一定程度上降低了层错能，同时在Mg中也有一定的固溶度，所以既可以改善塑性也能产生固溶强化。掺杂原子半径与Mg原子半径差越大，层错能越低。原子半径几乎与Mg原子接近的原子，原子的最外层电子越多，层错能越低。(2)对{1012}孪晶和{1011}孪晶进行拉伸强度的模拟计算。{1012}孪晶和{1012}面Mg在应变小于0.28时，抗拉强度变化不大，分别为0.003~2.559GPa和-0.004~2.658GPa；但是Mg在应变超过0.3时迅速断裂，而孪晶抗拉强度还保持较高，{1012}孪晶和Mg相比有更好的塑性；{1011}面Mg在弹性变形阶段抗拉强度比较高，但是{1011}孪晶的理论抗拉强度比Mg的高，分别为2.223GPa和2.018GPa；无论是孪晶和Mg，{1012}面比{1011}面的理论抗拉强度高，表现出更好的力学性能。(3)第一原理计算了Sn、Pb和Sn+Pb原子掺杂下Mg142Sn2、Mg142Pb2和Mg142Sn1Pb1不同滑移系的广义层错能。Sn元素比Pb元素降低广义层错的能力要强，特别是基面{0001}<1120>和锥面{1122}<1123>滑移系。基面{0001}<1120>、Sn和/或Pb元素降低层错能的能力排序为：Sn≈Sn+Pb>Pb；柱面{1010}<1120>和锥面{1011}<1120>滑移系Sn和/或Pb元素降低层错能的能力排序为：Sn≈Sn+Pb≈Pb；锥面{1122}<1123>滑移系Sn和/或Pb元素降低层错能的能力排序为：Sn>Sn+Pb>Pb。非基面滑移广义层错能的降低有助于提高Mg合金的韧性。(4)第一性原理计算了Mg48、Mg47Zn1、Mg46Zn2、Mg47Ca1、Mg46Ca2、Mg47Zr1和Mg46Zn1Ca1不同滑移系的广义层错能。在不同的滑移系，大小原子引起的晶格畸变抵消的效果不同，广义层错能受元素含量变化的影响也不同。在滑移层等间距的基面{0001}<1120>滑移系，由于基面滑移容易启动，所以Zn和Ca原子共掺时更多的是受到含量的影响，因此共掺并没有抵消单掺时引起的晶格畸变，从而导致共掺原子时层错能更低。然而在锥面{1122}<1123>滑移系，同样Zn和Ca原子共掺时没有抵消单掺时引起的晶格畸变，但是层错能随着掺杂元素含量的变化没有很大的变化。在滑移层间距不等的柱面{1010}<1120>和锥面{1011}<1120>滑移系，共掺Zn和Ca原子时，能够抵消单掺元素时引起的晶格畸变，在超过Ca固溶度很多的情况下，层错能随着Ca的含量的增加而显著降低，相反掺杂固溶度较大的Zn原子时，层错能随着含量的增加变化不大。
【作者】张花元；
【导师】王慧远；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】第一原理计算；镁合金；层错能；理想抗拉强度；电子结构；

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