Mg-Y（Zn）固溶体和Mg-Ce中间相的弹性性能研究

论文摘要

轻质镁合金由于其高的比强度性能在航空航天和汽车工业得到广泛的应用。然而镁合金的发展受到有限高温性能的限制。因此,要求在提高镁合金机械性能方面做出更大的努力和贡献。通常,固溶强化和沉淀强化是提高镁合金强度的两种方法。其中,添加合金元素已经被认为是优化和改善合金机械性能至关重要的方法之一。然而,目前的研究仅仅集中于实验方面,且添加合金元素提高机械性能的内在机制还并不明朗,有待深入研究。本论文应用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了Mg-R（R=Y, Zn）固溶体和Mg-Ce镁合金的结构稳定性、力学性能和电子结构,试图从原子尺度来解释其强化机制。论文主要包括以下内容:1.应用第一性原理计算的方法,研究了Y和Zn原子对镁基固溶体结构稳定性、弹性特征的影响。采用五个超晶胞模型(Mg96, Mg95Y1, Mg94Y2, Mg95Zn1和Mg94Zn2)模拟了不同溶质含量的固溶体。首先,进行了结构优化,发现Mg-R（R=Y, Zn）体系的晶格参数与溶质原子的半径和数量有关;通过结合能的计算发现,Y元素的添加使固溶体的结合能显著降低,而Zn元素却使结合能有微弱升高。随后计算得出了镁固溶体的五个独立弹性常数,通过Voigt-Reuss-Hill （VRH）近似方法获得了体模量B、剪切模量G、杨氏模量E和波松比ν,并发现这些模量依赖于溶质原子的含量。另外,分析B/G值得知溶质原子的添加提高了固溶体的延展性,且Y元素的作用强于Zn。最后对电子态密度的计算显示了Y（Zn）和Mg原子间的化学键强弱与溶质原子的含量相关。2.对Mg-Ce二元中间相MgCe, Mg2Ce和Mg3Ce的弹性常数和电子结构进行了第一性原理计算研究。结构优化后所得的晶格常数与实验值符合的很好,通过结合能和形成能的计算,得出了三者的结构稳定性。同时,三者的独立弹性常数Cij,剪切模量G,体模量B,杨氏模量E,Cauchy压和B/G值都得到了计算研究。通过对所得结构的比较分析得知:在三者中Mg2Ce具有最佳的延展性和塑性,而Mg3Ce的硬度和脆性最强。其中弹性各向异性因子值的比较得出Mg2Ce的各向异性较弱。通过计算Mg-Ce二元相的电子态密度和电荷分布从而了解结构稳定性和弹性常数的内在机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 镁合金的特点
• 1.1.1 镁合金的优势
• 1.1.2 镁合金的劣势
• 1.2 镁合金的研究现状、应用及前景
• 1.2.1 国内外镁合金的研究现状
• 1.2.2 镁合金的理论研究现状
• 1.2.3 镁合金的应用
• 1.2.4 镁合金的研究前景
• 1.3 镁合金新材料的研究及合金强化机制
• 1.3.1 镁合金新材料的研究
• 1.3.2 合金强化机制
• 1.3.3 稀土在镁合金中的应用
• 1.4 本论文研究的意义和内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 理论与方法
• 2.1 基本近似
• 2.1.1 非相对论近似
• 2.1.2 Born-Oppenheimer 近似
• 2.1.3 Hartree-Fock 近似
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程
• 2.3 交换-关联泛函近似
• 2.3.1 局域密度近似（LDA）
• 2.3.2 广义梯度近似（GGA）
• 2.4 波函数的处理
• 2.4.1 平面波基矢
• 2.4.2 赝势方法
• 2.5 能量最小化
• 2.6 VASP 软件包概述
• 第3章 Y 和Zn 原子对镁固溶体弹性性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法和参数设置
• 3.3 计算结果与讨论
• 3.3.1 结构模型和晶格参数
• 3.3.2 结构稳定性
• 3.3.3 弹性性能
• 3.3.4 电子结构
• 3.4 小结
• 第4章 Mg-Ce 中间相的弹性性能和电子性质
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法及参数设置
• 4.3 计算结果和讨论
• 4.3.1 晶体结构和稳定性
• 4.3.2 弹性性能
• 4.3.3 电子结构
• 4.4 小结
• 第5章 总结与展望
• 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