典型HCP金屬與L12型Al3X(X=Mg,Sc,Zr)理想強(qiáng)度的第一性原理研究.pdf

1、在航空航天和3C(Communication,Computer,Consumer Electronic Product)電子領(lǐng)域中,輕質(zhì)、高強(qiáng)度、良好的電磁屏蔽等特點(diǎn)始終被視為優(yōu)良材料的集中體現(xiàn)。除滿足上述特點(diǎn)之外,鋁鎂合金還具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及加工成本低、便于回收等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為人們研究的焦點(diǎn)。為了進(jìn)一步改善這些合金的性能,雖然實(shí)驗(yàn)的探索在持續(xù)進(jìn)行,但更需要從理論角度揭示其內(nèi)在機(jī)理,進(jìn)而給材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供一定的指導(dǎo)價(jià)值。近年

2、來,從彈性性質(zhì)的計(jì)算到應(yīng)力—應(yīng)變曲線的模擬,材料力學(xué)性能的理論研究不斷取得新突破,為開發(fā)滿足實(shí)際需求的鋁鎂合金提供了重要的發(fā)展機(jī)遇。
　　本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,首先對(duì)七種典型Hcp金屬(Be,Mg,Y,Ti,Zr,Zn和Ru)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線和理想強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明:這些Hcp金屬的理想剪切強(qiáng)度主要發(fā)生在{0001}基面或{1010}柱面上;而對(duì)于基面,<1010->方向的峰值剪切應(yīng)力小于<1120-

3、>方向的值;此外,主族金屬(或過渡金屬)隨c/a值的減小,理想強(qiáng)度(包括理想拉伸和理想剪切強(qiáng)度)呈遞增趨勢(shì)。
　　接著,同樣運(yùn)用第一性原理計(jì)算對(duì)L12型Al3X(X=Mg,Sc,Zr)的彈性性質(zhì)和塑性變形作了全面系統(tǒng)的研究。計(jì)算所得的晶格常數(shù)與實(shí)驗(yàn)值一致,表明本工作選取的計(jì)算參數(shù)是準(zhǔn)確合理的。計(jì)算的形成焓為負(fù),指出這些相的結(jié)構(gòu)有較好的穩(wěn)定性。彈性常數(shù)的計(jì)算表明:L12型Al3Sc和Al3Mg分別是三者之中最硬和最軟的材料;G/B值

4、顯示Al3Mg的韌性最好,Al3Sc和Al3Zr相對(duì)較差。從應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線可知,小應(yīng)變下彈性性質(zhì)可以通過彈性常數(shù)的計(jì)算準(zhǔn)確描述,但在大應(yīng)變情況下對(duì)塑性性質(zhì)的評(píng)估只能通過理想強(qiáng)度的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。三者的理想拉伸強(qiáng)度和理想剪切強(qiáng)度均位于[110]拉伸方向和{111}[110]剪切系中。L12型Al3Zr的理想強(qiáng)度和延展性均是三者之中最好的,接下來是Al3Sc,最后為Al3Mg。對(duì)電子態(tài)密度和形變過程中電荷密度分布也作了詳細(xì)分析,指出從Al3