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文檔簡介
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
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