稀土元素在镁合金中的固溶强化研究

摘要

金属镁及其合金以低密度、高比强度、高比刚度、优良的导电及导热性、良好的尺寸稳定性成为目前实际应用中最轻的金属结构材料。尽管如此,作为结构材料,镁合金的综合力学性能还需进一步提高。固溶强化是提高镁合金力学性能的一种有效方法。研究表明影响镁合金固溶强化的因素主要来自于固溶原子的尺寸错配因子,但最近有报道指出稀土元素在镁合金中的固溶强化并不完全遵循这一规律。因此,我们对稀土元素在镁合金中的固溶强化行为进行了第一性原理计算研究,探索稀土元素在镁合金中的固溶强化规律。
　　 本论文通过构建镁合金模型,研究了Mg-RE合金的性质,计算了材料的热力学稳定性、晶格常数、弹性模量、体模量、剪切模量及杨氏模量、各向异性参数、电子局域函数等物理性质,并且通过改变固溶原子的种类、数量、固溶位置,研究了不同条件下稀土元素在镁合金中的强化行为。
　　 研究表明,稀土元素在镁合金中的固溶强化行为并不完全依赖于原子尺寸错配因子,固溶原子4f电子层的状态对镁合金的性能有较大影响,稀土元素对镁合金的固溶强化效果随着4f电子层的变化而呈现出类似规律;在固溶度以下,增加固溶原子,强化效果增加;对于Mg52RE2,固溶原子为同种原子时,它们相距越近,固溶效果越差,相距越远,固溶效果越好,且形成能越低;但对于Mg52REM,两固溶原子为不同原子时,则情况相反,两固溶原子相距越远,固溶效果越差,相距较近,则效果更好,并且形成能更低。稀土元素固溶强化镁合金时,固溶原子周围的电子局域密度及成键状态比原子尺寸错配作用更显著。