元素摻雜對Mg2Sn相結構穩(wěn)定性和力學性能的影響.pdf

1、鎂合金作為最輕的結構材料，受到了廣泛的關注。近些年來，圍繞鎂合金的第一性原理模擬研究層出不窮，很多極端條件下（高溫、高壓、腐蝕等）鎂合金的性能都可以通過第一性原理去模擬并預測。固溶強化是提升鎂合金的一個主要途徑，然而，實驗中無法精確探知形成固溶體的最優(yōu)成分與工藝，往往使得實驗研究比較繁雜且緩慢。在第一性原理計算中，可以通過合金元素摻雜的方法去研究固溶的過程，在節(jié)約成本與時間的同時還能為實驗研究提供有用的指導信息。本文主要利用密度泛函理論

2、框架下的第一性原理方法，研究了Al、Zn、Ag和Zr原子摻雜對Mg2Sn相的結構穩(wěn)定性、力學性能以及電子結構的影響，表征了摻雜相的結構穩(wěn)定性與機械穩(wěn)定性，對比了不同摻雜原子對Mg2Sn相力學性能的影響；同時，計算了摻雜相的能帶結構與態(tài)密度以及離子結構，對其金屬性與成鍵情況以及離子特性進行了研究；最后，也對Mg2Sn(100)表面的穩(wěn)定性與電子結構進行了研究。
　　本研究主要內容包括：⑴四種摻雜原子都會使得Mg2Sn相的晶格常數(shù)發(fā)生

3、變化，其中Zr原子摻雜會使Mg2Sn相的晶格常數(shù)增大，其余三種摻雜原子Al，Zn和Ag都會引起Mg2Sn相的晶格常數(shù)減小。四種摻雜原子使Mg2Sn相晶格常數(shù)變化程度大小次序為：Zr> Zn>Ag>Al；其中， Mg2Sn0.75Zr0.25結構的晶格常數(shù)為最大， Mg2Sn0.75Zn0.25結構的晶格常數(shù)是最小的，此二者晶格常數(shù)變化程度最高。摻雜原子對Mg2Sn相晶格常數(shù)的影響規(guī)律趨勢基本上和摻雜原子半徑的大小是一致的，半徑越大的摻雜

4、原子的摻雜相的晶格常數(shù)也越大。四種摻雜原子都會使得Mg2Sn的形成焓增大，降低Mg2Sn的結構穩(wěn)定性。其中，Mg2Sn0.75Zr0.25在結構上是不穩(wěn)定的。⑵摻雜相的彈性常數(shù)C11和C44整體上比Mg2Sn的減小了；而C12比Mg2Sn的增大了。Mg2Sn及其七種摻雜相的彈性常數(shù)都滿足Born機械穩(wěn)定性條件，由此可知Mg2Sn及其七種摻雜相在力學上都是穩(wěn)定的。從柯西壓力來看，Mg2Sn及其七種摻雜相中原子之間主要成鍵類型為金屬鍵，并且

5、Mg2Sn及其摻雜相都屬于延展性材料。Mg2Sn及其七種摻雜相的各向異性系數(shù)A都不為1，這說明它們都是各向異性材料，而非理想的各向同性材料。在Mg2Sn及其七種摻雜相中， Mg1.75Zr0.25Sn與Mg2Sn0.75Al0.25的各向異性特征最明顯。四種原子摻雜后，Mg2Sn的剪切模量呈減小趨勢，體積模量基本保持不變，而楊氏模量有略微的降低。根據(jù)泊松比σ以及剪切模量與體積模量的比值G/B可得，Mg2Sn及其七種摻雜相都是延展性的材料

6、。其中，Mg1.75Al0.25Sn的延展性最好。⑶Mg2Sn及其七種摻雜相的能帶結構中均沒有帶隙，說明它們都呈現(xiàn)金屬性，都可以導電。原子摻雜后的體系保持了摻雜前的金屬性。從態(tài)密度圖發(fā)現(xiàn)，當原子摻雜后影響了Mg2Sn在低能區(qū)的態(tài)密度圖，使其增大，并且在摻雜體系中有軌道雜化，體系存在共價鍵。通過計算離子結構發(fā)現(xiàn)Mg2Sn及其摻雜相中存在電荷轉移，摻雜原子也參與了體系的電荷轉移，影響了體系的離子特性。⑷Mg2Sn(100)表面的原子弛豫效果