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(qiáng)的電磁屏蔽能力和易于回收等一系列優(yōu)點(diǎn),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(qiáng)化和第二相強(qiáng)化是稀土鎂合金強(qiáng)化中最為有效的兩種強(qiáng)化機(jī)制,本文采用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢(shì)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(jì)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(jì)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(fù)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(gè)原子在費(fèi)米能級(jí)低能級(jí)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(jià)鍵結(jié)合具有金屬鍵和共價(jià)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(jià)鍵性降低,穩(wěn)定性下降。
　　對(duì)純Mg和Mg35X(X=Er、

4、Al)固溶體的超晶胞模型的計(jì)算表明:Mg35Al和Mg35Er兩種固溶體的結(jié)合能均為負(fù)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(fèi)米能級(jí)低能級(jí)區(qū)域的成鍵

5、電子數(shù)明顯多于Mg35Al,并且在費(fèi)米能級(jí)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(jià)鍵很強(qiáng),同時(shí)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(jì)算了Mg-xEr(x=1~6at.％)固溶體的力學(xué)性能。計(jì)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(dāng)Er含量為4at.%時(shí)體模量達(dá)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(dāng)Er含量達(dá)到6%時(shí),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(dāng)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(shì)。隨著Er含量的增加,態(tài)密度整體向低能級(jí)區(qū)域移動(dòng),費(fèi)米能級(jí)低能級(jí)區(qū)域的成