典型变形镁合金中合金相的计算研究

摘要

第一性原理计算不依赖任何经验参数即可合理预测微观体系的状态和性质，准确地计算和预测合金相的物理、化学性能和力学性能，为材料研究者进行材料性能预测和材料优化设计提供重要地理论依据，是基础研究的重要方法。当前镁合金基础研究还有待于加强与深入，而合金相的研究是镁合金开发应用的关键基础研究。目前镁合金中还存在一些未知的相，一些化合物的化学组成、晶体结构需要进一步确认，一些合金相的热力学数据不足，相关的热力学和动力学研究缺乏，因此通过基于密度泛函理论第一性原理计算进行镁合金合金相研究具有十分重要的意义。本文采用第一性原理对典型变形镁合金中合金相的性质进行计算研究，获得一些重要合金相的微观性质数据，为彻底弄清镁合金合金相影响机制，加速镁合金中合金相的研究奠定基础。
　　 首先，本文运用第一性原理计算了添加合金元素Sr后AZ31系镁合金组织中合金相Al4Sr、Al2Sr、Al9Sr5、Mg2Sr和Mg17Sr2的结构参数和构型、形成焓、结合能、弹性常数以及理论强度等，获得了这些相的结构稳定性和力学性质的数据。计算结果表明：结构参数和构型的计算值和实验值相符；形成焓和结合能的计算结果显示这些合金相均为稳定相，其中Al4Sr的结构稳定性最好；体积模量和剪切模量之比G/B值显示：Al2Sr和Al9Sr5呈脆性，Al4Sr和Mg2Sr呈延性；Al4Sr的理论抗拉强度是这些相中最大的、临界应变是最小的，其理论抗拉强度为6.53GPa、临界应变为10.23％；合金相Mg2Sr是这些相中理论抗拉强度最小、临界应变值最大的合金相，其抗拉强度为2.97 GPa、临界应变值为22.10％。而合金相Al2Sr、Al9Sr5和Mg17Sr2的抗拉强度分别为6.26 GPa、3.70 GPa和5.34 GPa，其临界应变值分别为18.7％、12.0％和20％。
　　 其次，本文采用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)以及X射线衍射仪(XRD)等实验方法研究了添加Sr后AZ31系镁合金铸态组织和均匀化组织中合金相的种类和形貌，以及采用了显微硬度分析了AZ31+Sr系镁合金的综合力学性能，对合金相Al4Sr、Al2Sr、Al9Sr5、Mg2Sr和Mg17Sr2的性质计算的结果进行了初步验证。
　　 最后，采用第一性原理计算了添加Y/La后LA141镁合金中合金相AlLi、Al2Y和Al2La的结构参数和构型、形成焓、结合能、弹性常数以及理论强度等，获得了这些相的结构稳定性和力学性质数据。计算结果表明：这些合金相的结构参数和构型的计算值与实验值吻合较好；形成焓和结合能的计算结果表明这三个相均为稳定相，且Al2Y的结构稳定性最好；剪切模量和体积模量之比G/B值显示这三个相均呈脆性；Al2Y的抗拉强度最高为11.96 GPa，临界应变值为14.4％，AlLi相的抗拉强度为10.36 GPa，但其临界应变值最大为78.9％，Al2La的理论抗拉强度最小为9.43 GPa临界应变值为13.7％。