用价电子结构分析元素Y、Sn对Mg-Al合金性能的影响

摘要

本文使用余氏固体与分子经验电子理论（TheEmpiricalElectronTheoryinSolidandMolecules，简称为EET理论）分别计算了合金元素Y、Sn在Mg-Al基合金中形成的固溶体、析出第二相的价电子结构和键能以及相界面间的价电子结构，以此为依据分析了价电子结构与固溶强化、析出第二相强化以及界面强化的关系。研究结论归纳如下几点:
　　 1.计算了纯Mg、α-Mg、Mg-Al-Y价电子结构、键能和相结构因子ρVC。其中α-Mg最强键上的共价电子对数为nAS-S=0.11199、最强键的键能值为EAS-S=10.47317kJ/mol;Mg-Al-Y最强键的共价电子对数为nAS-S=0.11325、最强键的键能为EAS-S=10.66495kJ/mol。它们的nA、EA值大于纯Mg（纯Mg最强键的共价电子对数为nAMg-Mg=0.10992、最强键的键能为EAMg-MG=10.24306kJ/mol）的nA、EA值。α-Mg的ρVC=65.6806％，Mg-Al-Y的ρVC=66.0907％，均大于纯Mg的ρVC值（纯Mg的ρVC=65.1100％）。依据最强键的共价电子对数、最强键的键能以及相结构因子ρVC的信息，分析合金元素Y对Mg-Al合金强化作用的微观机理。
　　 2.计算了第二相Al2Y、Mg2Sn的价电子结构以及键能，其中Al2Y最强键的共价电子对数为nAY-Y=0.39773、最强键的键能为EAY-Y=51.47456kJ/mol;Mg2Sn最强键上的共价电子对数为nAMg-Sn=0.37685、最强键的键能值为EAMg-Sn=34.06651kJ/mol。它们的nA、EA值大于α-Mg基体（α-Mg最强键的共价电子对数为nAS-S=0.11199、最强键的键能为EAS-S=10.47317kJ/mol）的nA、EA值。Al2Y、Mg2Sn的存在使基体中的位错难以切过，钉扎住位错的运动，对提高Mg-Al合金的强度有重要作用。
　　 3.计算了Al2Y、Mg2Sn相的FV值。其中Al2Y的FV值为FV=103.6748、Mg2Sn的FV值为FV=46.9049，均大于γ-Mg17Al12的FV值(γ-Mg17Al12的FV值为FV=44.22)，Al2Y、Mg2Sn相适应外界变化的能力强于γ-Mg17Al12相，且稳定性也比γ-Mg17Al12好。在高温下，Al2Y、Mg2Sn能有效阻碍位错运动，对提高Mg-Al合金高温蠕变性能有重要的作用。
　　 4.计算了（11(2)1）α-Mg//(111)Al2Y、(0001)α-Mg//(111)Mg2Sn界面的价电子结构以及一级近似下界面的最小电子密度差为△ρmm、原子状态组数σ。（11(2)1）α-Mg//(111)Al2Y界面的最小电子密度差为△ρmm=148.64％，大于(0001)α-Mg//(110)γ-Mg17Al12界面的最小电子密度差(△ρmin=50.55％)。强化相与基体的界面上电子密度差越大，则对基体晶界强化作用越大，对晶界滑移的阻力也越大，可知Al2Y相对α-Mg基的强化效果明显好于γ-Mg17Al12相。(0001)α-Mg//(111)Mg2Sn界面处存在最小的电子密度差△ρmin=7.14％＜10％，使界面处电子密度保持连续的原子状态组数σ=1327。Mg2Sn与α-Mg界面两边的共价电子密度连续性很好，界面应力小，界面的稳定性好，界面结合很强。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 选题背景

1．2 Mg-Al合金的概况

1．2．1 Mg-Al合金二元相图

1．2．2 Mg-Al合金的分类和应用

1．2．3 关于Mg-Al合金的研究

1．3 选题的目的和意义

1．4 本文的主要研究内容

2 理论基础

2．1 EET理论

2．1．1 EET理论中的四个基本假定

2．1．2 键距差(BLD)方法

2．1．3 键能的计算

2．2 界面结合因子的计算

3 Y元素对Mg-Al合金性能的影响

3．1 引言

3．2 Mg的杂化表

3．3 Al的杂化表

3．4 Y的杂化表

3．5 纯Mg的价电子结构与键能的计算

3．5．1 实验键距、等同键数Iα的计算

3．5．2 纯Mg价电子结构的计算

3．5．3 纯Mg键能的计算

3．5．4 纯Mg相结构因子ρVC的计算

3．6 纯Al的价电子结构与键能的计算

3．6．1 实验键距与等同键数Iα的计算

3．6．2 纯Al价电子结构的计算

3．6．3 纯Al键能的计算

3．7 纯Y的价电子结构与键能

3．7．1 实验键距与等同键数Iα的计算

3．7．2 纯Y价电子结构的计算

3．7．3 纯Y键能的计算

3．8 α-Mg的价电子结构与键能

3．8．1 实验键距、等同键数Iα的计算

3．8．2 α-Mg价电子结构的计算

3．8．3 α-Mg键能的计算

3．8．4 α-Mg相结构因子ρVC的计算

3．9 Mg-Al-Y的价电子结构与键能

3．9．1 实验键距、等同键数Iα的计算

3．9．2 Mg-Al-Y价电子结构的计算

3．9．3 Mg-Al-Y键能的计算

3．9．4 Mg-Al-Y相结构因子ρVC的计算

3．10 Al2Y的价电子结构与键能

3．10．1 实验键距、等同键数Iα的计算

3．10．2 Al2Y价电子结构的计算

3．10．3 Al2Y键能的计算

3．10．4 Al2Y的相结构因子FV的计算

3．11 异相界面电子结构的计算

3．11．1 (11-21)α-Mg∥(111)Al2Y的界面电子结构

3．11．2 α-Mg单位晶胞(11-21)的面电子结构

3．11．3 Al2Y单位晶胞(111)的面电子结构

3．12 结果与分析

3．12．1 Mg-Al-Y的价电子结构与固溶强化

3．12．2 Al2Y相与第二相强化

3．12．3 Al2Y相结构因子FV与第二相稳定性

3．12．4 界面结构因子与界面强化

3．13 本章小结

4 Sn元素对Mg-Al合金性能的影响

4．1 引言

4．2 Sn的杂化表

4．3 纯Sn的价电子结构与键能的计算

4．3．1 实验键距、等同键数Iα的计算

4．3．2 纯Sn价电子结构的计算

4．3．3 纯Sn键能的计算

4．4 Mg2Sn的价电子结构与键能

4．4．1 实验键距、等同键数Iα的计算

4．4．2 Mg2Sn价电子结构的计算

4．4．3 Mg2Sn键能的计算

4．4．4 Mg2Sn的相结构因子FV的计算

4．5 异相界面电子结构的计算

4．5．1 (0001)α-Mg//(111)Mg2Sn的界面电子结构

4．5．2 α-Mg单位晶胞(0001)的面电子结构

4．5．3 Mg2Sn单位晶胞(111)的面电子结构

4．6 结果与分析

4．6．1 Mg2Sn相与第二相强化

4．6．2 Mg2Sn相结构因子FV与第二相稳定性

4．6．3 界面结构因子与界面强化

4．7 本章小结

5 结论

参考文献

致谢

个人简历及攻读硕士期间发表论文