典型HCP金属与L12型Al3X(X=Mg,Sc,Zr)理想强度的第一性原理研究

摘要

在航空航天和3C(Communication,Computer,Consumer Electronic Product)电子领域中,轻质、高强度、良好的电磁屏蔽等特点始终被视为优良材料的集中体现。除满足上述特点之外,铝镁合金还具有良好的导电、导热性能及加工成本低、便于回收等优点,已经成为人们研究的焦点。为了进一步改善这些合金的性能,虽然实验的探索在持续进行,但更需要从理论角度揭示其内在机理,进而给材料的设计与开发提供一定的指导价值。近年来,从弹性性质的计算到应力—应变曲线的模拟,材料力学性能的理论研究不断取得新突破,为开发满足实际需求的铝镁合金提供了重要的发展机遇。
　　本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,首先对七种典型Hcp金属(Be,Mg,Y,Ti,Zr,Zn和Ru)的应力—应变曲线和理想强度进行了计算。结果表明:这些Hcp金属的理想剪切强度主要发生在{0001}基面或{1010}柱面上;而对于基面,<1010->方向的峰值剪切应力小于<1120->方向的值;此外,主族金属(或过渡金属)随c/a值的减小,理想强度(包括理想拉伸和理想剪切强度)呈递增趋势。
　　接着,同样运用第一性原理计算对L12型Al3X(X=Mg,Sc,Zr)的弹性性质和塑性变形作了全面系统的研究。计算所得的晶格常数与实验值一致,表明本工作选取的计算参数是准确合理的。计算的形成焓为负,指出这些相的结构有较好的稳定性。弹性常数的计算表明:L12型Al3Sc和Al3Mg分别是三者之中最硬和最软的材料;G/B值显示Al3Mg的韧性最好,Al3Sc和Al3Zr相对较差。从应力—应变关系曲线可知,小应变下弹性性质可以通过弹性常数的计算准确描述,但在大应变情况下对塑性性质的评估只能通过理想强度的计算来实现。三者的理想拉伸强度和理想剪切强度均位于[110]拉伸方向和{111}[110]剪切系中。L12型Al3Zr的理想强度和延展性均是三者之中最好的,接下来是Al3Sc,最后为Al3Mg。对电子态密度和形变过程中电荷密度分布也作了详细分析,指出从Al3Mg、Al3Sc到Al3Zr,其共价性依次增强,因而对Al3Zr具有较好的力学性能给出了合理的解释。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 铝镁合金简介

1.3 理想强度相关理论的介绍

1.4 本论文研究目的、意义与内容

第2章 理论基础与方法

2.1 密度泛函理论

2.2 VASP软件包

2.3 理想强度计算方法的介绍

第3章 典型Hcp金属理想强度的研究

3.1 引言

3.2 计算方法与参数设置

3.3 计算结果与讨论

3.4 小结

第4章 L12型Al3X (X=Mg, Sc, Zr)的力学性质

4.1 引言

4.2 计算方法与参数设置

4.3 计算结果与讨论

4.4 小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间发表的论文