溶质原子对镁固溶体合金层错的影响及镁位错性能的研究

摘要

镁合金作为一种优异的轻质结构材料,具有密度小、比刚度和比强度高、电磁屏蔽能力强、易回收等优点,在很多领域如汽车、电子、航空航天等得到了广泛的应用。然而,其有限的延展性和高温抗蠕变能力以及易燃等缺点,阻碍了它在现代工业市场的发展。为此,材料研究者们做了大量工作,发现过渡金属和稀土元素(RE)的加入可以使镁合金的力学性能明显增强,而镁合金力学性能与其缺陷如层错、位错密切相关。因此,理论研究溶质元素对镁合金层错的影响是很有必要的,而且研究镁的位错对提高镁合金的综合性能具有很重要的指导意义。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了常见稀土元素(RE)和典型过渡金属Zn对Mg固溶体层错和延展性的影响,此外还对纯镁位错位错核相关性质进行了研究。论文主要内容如下:
　　1.根据密度泛函理论,研究了稀土元素如鐠(Pr),钕(Nd),钆(Gd),铽(Tb)和镝(Dy)对镁合金基面四种层错的影响,从广义层错能面/线发现:这些稀土元素明显的降低了纯镁的层错能,且随稀土原子序数增大,降低的效果越来越弱。加入稀土元素后,Mg-RE固溶体合金的I2层错能降低,导致层错构型更加稳定,延展性变好。γis/γus比值表明稀土元素的加入促进了位错分解。最后,通过电子结构分析进一步揭示了稀土原子对镁固溶体合金层错影响的内在机制,发现层错能的降低与电荷转移密切相关。
　　2.利用第一性原理的方法计算了Y、Zn对Mg-Y-Zn固溶体合金的I1和I2层错的影响,结果表明:单个Y原子和单个Zn原子对镁固溶体稳定和不稳定层错能作用效果相反,而Y和Zn的同时加入将使稳定和不稳定层错能降低得更多。对I2层错研究表明,Y、Zn的同时加入使层错构型更加稳定,使延展性变好。γis/γus比值表明Y,Zn的加入促进了位错分解。最后,通过电子结构分析,进一步揭示了层错能的大大降低是由于Y-Zn之间较强的共价键使滑移面间相互作用增强造成的。
　　3.利用基于广义层错能曲线的Peierls-Nabarro模型计算了镁在(0001)<1010>、(0001)<1120>和(1010)<1120>滑移体系刃位错核结构。从广义层错能、位错密度曲线可以看出(0001)<1120>和(1010)<1120>的全位错都能分解为两个分位错,而且基面滑移比柱面滑移更容易。并计算了Peierls能△W和Peierls力σp,发现得到的Peierls力σp与以前的研究一致,且具有较好的准确性。

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第1章 引言

1.1 镁及镁合金

1.2 镁的合金强化及常用镁合金系

1.3 镁合金的应用

1.4 镁合金的塑性成形理论

1.5 稀土镁合金研究现状

1.6 本论文研究意义、目的和内容

第2章 理论与方法

2.1 绝热近似和哈特里近似

2.2 密度泛函理论

2.3 交换–关联泛函近似

2.4 赝势

2.5 计算细节与分析模型

第3章 稀土原子对镁固溶体层错的影响

3.1 引言

3.2 计算方法及参数设置

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第4章 Y、Zn溶质原子对镁固溶体层错的影响

4.1 引言

4.2 计算方法及参数设置

4.3 计算结果及讨论

4.4 小结

第5章 纯镁位错的第一性原理研究

5.1 引言

5.2 计算方法和P-N模型

5.3 结果与讨论

5.3 小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简介、攻读硕士学位期间发表的学术论文