Mg-Er合金第一性原理研究.pdf

1、作為最輕的工程金屬材料,鎂合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的鑄造性、切削加工性、導(dǎo)熱性、阻尼性以及較強的電磁屏蔽能力和易于回收等一系列優(yōu)點,在航空航天、汽車和通訊工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用。含稀土Er的鎂合金是一種極具開發(fā)潛力的新型鎂合金材料。固溶強化和第二相強化是稀土鎂合金強化中最為有效的兩種強化機制,本文采用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢方法研究了三種Mg-Er金屬間化合物的穩(wěn)定性與其晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系,分析了Mg35X(X= Al、Er

2、)固溶體的力學(xué)性能和電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,確定了力學(xué)性能最優(yōu)異的Mg-Er固溶體中的Er摻雜量,為高性能鎂合金材料的設(shè)計提供了理論依據(jù)。
　　在優(yōu)化Mg-Er合金體系中MgEr、Mg2Er、Mg24Er5的結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,通過形成熱、結(jié)合能和電子結(jié)構(gòu)的計算,分析了這三種金屬間化合物的穩(wěn)定性與其晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)果表明:三種Mg-Er金屬間化合物的形成熱和結(jié)合能均為負值,化合物的形成能力和穩(wěn)定性均隨著化合物中Er含量的降低而降低

3、。隨著化合物中Er含量的降低,化合物中平均每個原子在費米能級低能級處的成鍵電子數(shù)減少,化合物的穩(wěn)定性降低。在 Mg、Er原子周圍均有大量的電荷存在,呈典型的金屬鍵特征,Mg、Er之間的電子云只有部分重疊,交界處電荷的畸變不大。Mg-Er金屬間化合物的價鍵結(jié)合具有金屬鍵和共價鍵兩重性,其中金屬鍵占主導(dǎo)地位。Mg、Er原子的電荷轉(zhuǎn)移量隨化合物中Er含量降低而減少,化合物的共價鍵性降低,穩(wěn)定性下降。
　　對純Mg和Mg35X(X=Er、

4、Al)固溶體的超晶胞模型的計算表明:Mg35Al和Mg35Er兩種固溶體的結(jié)合能均為負值,但Mg35Er的結(jié)合能比Mg35Al更低,其結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。純Mg中分別加入Al和Er元素后,體模量(B),楊氏模量(E)和剪切模量(G)均增加,加入Er元素的效果更為明顯。Mg、Mg35Al和Mg35Er的這三種結(jié)構(gòu)的韌性依次為:Mg﹥Mg35Er﹥Mg35Al;彈性各向異性為:Mg﹤Mg35Er﹤Mg35Al。Mg35Er在費米能級低能級區(qū)域的成鍵

5、電子數(shù)明顯多于Mg35Al,并且在費米能級處的態(tài)密度值高于Mg35Al,Mg35Er抵抗塑性變形的能力和延展性都優(yōu)于Mg35Al。與Al原子相比,Er原子與Mg原子間的共用電荷比較多,共價鍵很強,同時Er原子周圍的電荷分布比較均勻,方向性很弱。
　　使用虛擬晶胞近似方法控制固溶體中的Er含量,計算了Mg-xEr(x=1~6at.％)固溶體的力學(xué)性能。計算結(jié)果表明:Mg-xEr(x=1~6at.%)固溶體的體模量(B)隨Er含量的增

6、加而逐漸增大,當Er含量為4at.%時體模量達到最高值,之后基本保持不變。剪切模量(G)和楊氏模量(E)隨Er含量的增加而降低,當Er含量達到6%時,又略微增大。Mg-xEr(x=1~6at.%)六種固溶體都是韌性材料。摻雜量為1~5at.%Er的區(qū)間內(nèi),固溶體的韌性隨Er含量的增加而明顯提高,當Er含量繼續(xù)增大到6at.%,合金的韌性又呈現(xiàn)出了一定程度上的下降趨勢。隨著Er含量的增加,態(tài)密度整體向低能級區(qū)域移動,費米能級低能級區(qū)域的成