金屬M(fèi)g的基面層錯(cuò)及虛擬長周期序結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)換第一性原理研究.pdf

1、眾所周知，在穩(wěn)定狀態(tài)下材料所具有的微觀結(jié)構(gòu)對其所表現(xiàn)出來的功能特性有很大的決定作用。然而，在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域完美的晶格結(jié)構(gòu)是不存在的。也就是說，在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域所研究的材料的微觀結(jié)構(gòu)中總是存在一些缺陷。一般而言，材料中存在的缺陷通常有：點(diǎn)缺陷（位錯(cuò)）、線缺陷（層錯(cuò)）及面缺陷，這些缺陷的存在在一定程度上也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。其中位錯(cuò)是材料中最基本的一種缺陷，并且層錯(cuò)的形成也會(huì)與部分位錯(cuò)的滑移有著密切的關(guān)系。在相關(guān)的研究領(lǐng)域，人們對材料中

2、位錯(cuò)的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)深入的層次。然而，有些材料中層錯(cuò)的研究處于初步探索的階段。因此，為了進(jìn)一步研究材料中層錯(cuò)的一些性質(zhì)，我們主要選取金屬M(fèi)g作為研究對象。本文主要研究了金屬M(fèi)g中的基本基面層錯(cuò)和長周期堆垛序列結(jié)構(gòu)，其中長周期堆垛序列結(jié)構(gòu)本質(zhì)上就是由基面層錯(cuò)所組成的多層錯(cuò)序列結(jié)構(gòu)，也是當(dāng)前在實(shí)驗(yàn)上和理論是致力于探索和研究的一類新型的微觀結(jié)構(gòu)。長周期堆垛序列結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)不僅在很大程度上改善了Mg及其合金塑性差的這一力學(xué)性能，同時(shí)也為其在現(xiàn)

3、代工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步的應(yīng)用起到了促進(jìn)和拓展的作用。具體的內(nèi)容如下：
　?。?）基面層錯(cuò)及其相互轉(zhuǎn)換機(jī)制
　　基于密度泛函理論上的第一性原理計(jì)算，我們從理論的角度對金屬M(fèi)g中的基面層錯(cuò)（I1、I2、E和T2）做了詳細(xì)的研究，并得出了這些基面層錯(cuò)的穩(wěn)定層錯(cuò)能和不穩(wěn)定層錯(cuò)能。通過與先前的理論值和實(shí)驗(yàn)值相比較，我們的計(jì)算結(jié)果與之吻合的很好。另外，我們還研究了基面層錯(cuò)之間的想換轉(zhuǎn)換機(jī)制。通過分析相轉(zhuǎn)換過程中所伴隨的廣義層錯(cuò)能曲線的變化趨勢

4、及其相應(yīng)的原子滑移示意圖，我們發(fā)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換過程中所跨過的能量勢壘的大小與原子滑移過程中相鄰原子層之間原子的排列情況有關(guān)。同時(shí)，由能量曲線的變化情況來看，同一種轉(zhuǎn)換機(jī)制的正逆兩個(gè)方向上的相轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的能量勢壘的大小是不同的。例如：I1?E的相轉(zhuǎn)換過程跨過的勢壘大小是0.073 J/m2，而實(shí)現(xiàn) E?I1的相轉(zhuǎn)換所跨越的能量勢壘是0.56 J/m2，這說明轉(zhuǎn)換機(jī)制E?I1的實(shí)現(xiàn)過程要比I1?E的實(shí)現(xiàn)過程困難一些。
　　（2）長周期堆垛序

5、結(jié)構(gòu)之間相轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)換路徑
　　通過第一性原理的研究，我們主要研究了長周期堆垛序列Mg之間的相互轉(zhuǎn)換機(jī)制。通過對各種長周期堆垛序列結(jié)構(gòu)的堆垛特征的仔細(xì)觀察，并結(jié)合密排六方（hcp）金屬晶格結(jié)構(gòu)的滑移特性，我們在理論上系統(tǒng)地研究了這些長周期序列結(jié)構(gòu)之間發(fā)生相轉(zhuǎn)換的具體的轉(zhuǎn)換路徑，并給出了轉(zhuǎn)換路徑下相應(yīng)的原子滑移示意圖。在此過程中，我們主要以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)相轉(zhuǎn)換過程的轉(zhuǎn)換路徑所對應(yīng)的廣義層錯(cuò)能曲線的變化情況來研究相應(yīng)的轉(zhuǎn)換機(jī)制。與此同時(shí)，我們

6、還討論了真空層對長周期堆垛序列結(jié)構(gòu)之間相轉(zhuǎn)換過程實(shí)現(xiàn)的難以程度的影響。另外，在分析相轉(zhuǎn)換過程所對應(yīng)的滑移路徑時(shí)，我們根據(jù)長周期堆垛序列的堆垛特征提出了兩種潛在的原子滑移模式（S mode和M mode）。
　　對于具有多條轉(zhuǎn)換路徑的相轉(zhuǎn)換機(jī)制，我們通過比較轉(zhuǎn)換過程中所對應(yīng)的廣義層錯(cuò)能曲線的能量勢壘的大小來實(shí)現(xiàn)路徑的優(yōu)化。在路徑優(yōu)化過程中，由于在沒有真空層的情況下轉(zhuǎn)換機(jī)制2H?6H2、6H1?6H2、14H4?14H2以及14H4?

7、14H5在 M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下所對應(yīng)的廣義層錯(cuò)能曲線的能量勢壘和其在 S滑移模式下所揭示的轉(zhuǎn)換路徑中所對應(yīng)的廣義層錯(cuò)能曲線的能量勢壘大小一致，因此，在沒有真空層的情況下，M和S兩種滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑對這些轉(zhuǎn)換機(jī)制具有等效性。然而，在考慮真空層的情況下，這些相轉(zhuǎn)換機(jī)制在M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時(shí)所對應(yīng)的廣義層錯(cuò)能曲線的能量勢壘遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在 S滑移模式下實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時(shí)所跨越的勢壘值。由此可見，在考慮真空層的情況下

8、，由 S滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑對這些相轉(zhuǎn)換機(jī)制來說是比較優(yōu)化的。對2H?6H1和14H1?14H3而言，不論在計(jì)算過程中有沒有考慮真空層，其在M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時(shí)所對應(yīng)的能量勢壘值遠(yuǎn)小于其在S模式下的能量勢壘值。類似地，18R1?18R2和14H2?14H5在M滑移模式所揭示的轉(zhuǎn)換路徑下實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時(shí)所對應(yīng)的能量勢壘值遠(yuǎn)大于其在 S滑移模式下實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)換時(shí)所對應(yīng)的能量勢壘值。因此，對于這些相轉(zhuǎn)換機(jī)制來說，真空層只影響到