合金元素影响镁合金变形模式的第一性原理计算与实验分析word格式论文.docxVIP

摘要镁合金的强度较低、塑性较差是阻碍其广泛应用的瓶颈问题。添加合金元素是提高镁合金力学性能的重要方法之一。然而，由于缺乏合金元素影响镁合金变形模式的深层次理解，如何选取合金元素是镁合金设计的一大难点。位错滑移和孪生是镁合金塑性变形最基本的变形模式，研究合金元素对镁合金滑移和孪生的影响，对于镁合金设计过程中合金元素的优化选取具有重要指导意义，将为开发新型高性能镁合金提供科学依据。本文首先通过第一性原理计算了合金元素在镁晶格中置换位置、四面体间隙位置和八面体间隙位置的固溶体形成能，确定合金元素在镁晶格中最稳定的位置。对于位错滑移，根据固溶体形成能的结果，针对不同合金元素构建相应的超胞模型计算了Mg-X(X为合金元素)合金(0001)??1010??滑移系和{1122}??1123??滑移系的广义层错能(GSFE)。讨论了合金元素通过调控GSFE，对基面a位错的运动能力、锥面c+a位错的形核难易程度、锥面c+a可动位错的稳定性的影响。对于孪生，计算了合金元素引起镁晶格的畸变大小和合金元素Nd对{1012}孪晶位错的强化作用。讨论了影响合金元素对{1012}孪晶位错强化效果的因素。基于计算结果，设计了Mg-xNd(x=0.03，0.18at%，编号为1#、2#)二元合金，通过对具有强烈挤压纤维织构的Mg-Nd 合金的室温压缩试验，研究不同晶粒尺寸下镁合金力学行为。分析讨论了晶粒尺寸、合金元素含量对镁合金中c+a位错和{1012}孪生临界分切应力(CRSS)的影响。探讨了退火处理对孪晶结构Mg-Nd合金强度以及变形过程中位错滑移和孪生两种变形模式对协调应变影响。研究结果表明：①合金元素Ag、Al、Bi、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、In、Li、Lu、Mn、Nd、Pb、Sc、Sm、Sn、Y、Yb、Zn、Zr、Si 在镁晶格中置换格点上最稳定，H在镁晶格中四面体间隙位置最稳定，C、N、O在镁晶格中八面体间隙位置最稳定。② 合金元素Al、Bi、C、Dy、Gd、H、In、Lu、N、Nd、O、Pb、Si、Sm、Sn、Y、Yb 能显著降低镁合金基面a位错的稳定层错能，限制基面位错的交滑移而提高镁合金的抗蠕变性能。同时这些合金元素可以提高基面I2层错的密度，在镁合金变形后期大量层错可以有效阻碍位错运动，起到层错强化的作用。③ 合金元素Bi、C、Ca、H、Li、N、Nd、O、Pb、Si、Sm、Sn、Yb可以降低{1122}锥面c+a位错的非稳定层错能，起到促进c+a位错形核的作用。合金元素Al、Bi、Dy、Er、Ga、Gd、Ho、In、Li、Lu、Nd、Pb、Sm、Sn、Y、Yb、Zn能够降低{1122}锥面c+a位错的稳定层错能，起到提高可动c+a位错稳定性的作用。综合考虑合金元素对c+a位错形核难易程度、位错可动性的影响，Bi、C、N、O、Nd、Pb、Sm、Sn、Yb 是最有潜力通过调控c+a位错来提高镁合金力学性能的合金元素。④合金元素Ag、Dy、Er、Gd、Ho、Lu、Mn、Nd、Sm 、Tm、Y、Yb、Zn 具有较显著的强化{1012}孪晶位错的效果。合金元素Nd是强化孪晶位错效果最好的元素，在室温下，当Nd 含量为0.03at%、0.18at%时，对孪晶位错的强化效果分别为6MPa和23MPa。⑤平均晶粒尺寸在62~89 μm范围内，1#合金{1012}孪生的CRSS为25~19MPa。平均晶粒尺寸在33~63μm范围内，2#合金{1012}孪生的CRSS为24~21MPa。1#和2#合金{1012}孪生的CRSS都随晶粒尺寸增大而减小。当1#、2#合金平均晶粒尺寸相同时(~62μm)，2#合金{1012}孪生的CRSS比1#合金低4MPa，合金元素Nd对镁合金{1012}孪生的CRSS影响不明显。⑥平均晶粒尺寸在62~70 μm 范围内，1#合金c+a位错的CRSS为~50MPa，晶粒尺寸对c+a位错的CRSS无明显影响；当平均晶粒尺寸达到89μm时，c+a 位错的CRSS降低至44MPa。平均晶粒尺寸在33~63μm的范围内，2#合金c+a 位错的CRSS为46~40MPa，c+a位错的CRSS随晶粒尺寸增大而减小。当1#、2#合金平均晶粒尺寸相同时(~62μm)，2#合金c+a位错的CRSS 比1#合金低~10MPa，合金元素Nd 能显著降低镁合金c+a位错的CRSS。⑦对于具有孪晶结构的Mg-Nd合金，可以通过退火热处理来强化{1012}孪晶位错，调控变形过程中滑移和孪生对协调应变的贡献，进而提高合金的力学性能。关键词：镁合金，第一性原理计算、变形模式、力学性能ABSTRACTTheapplicationofmagnesiumalloysisseverelyhinderedbytheirrelativelylow strengtha