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合金元素对Mg-Li-X强/韧化作用机制的第一性原理研究

张彩丽  
【摘要】:在全球推崇环保、降低能耗,营造绿色地球的大背景下,航空、航天、汽车、3C电子产品等领域均对零部件的轻量化提出了较高的要求,Mg-Li合金作为最轻的金属结构材料,备受关注,但是Mg-Li合金的强度和韧性都不及铝合金,这大大限制了Mg-Li合金的应用,因此,采取各种措施提高Mg-Li合金的强度和韧性就成为推广Mg-Li合金广泛应用最为行之有效的方法,而在提高Mg-Li合金强度和韧性的众多途径中,合金化是最为有效的方法之一。在对材料性能的预测、对实验机理探索的众多计算研究方法中,第一性原理因其不依赖任何经验参数,只与物质的五个基本物理量有关,能够确保计算结果的可信,而越来越受到广大研究人员的青睐。本论文基于第一性原理研究了合金化元素对Mg-Li-X的强韧化作用机制,主要研究内容如下: (1)对Mg-Li二元合金中最基本的两种组织α相和β相的稳定性及力学性能进行了研究,结果表明β相较α相更容易形成,且α相和β相在热力学和动力学性质方面均稳定,Li在Mg中的固溶有助于提高α相的韧性。对α与β形成的晶界、相界模型进行拉伸模拟试验的结果显示Li溶于Mg和Mg溶于Li均可改善纯Mg、Li界面的结合能力,提高Mg、Li界面的结合强度。 (2)对Al、Zn、Cd等合金化元素溶入Mg-Li合金形成固溶体的形成热、体模量等物理量的分析表明Zn、Cd固溶于p相中可提高其强度,且Cd较Zn的固溶强化作用更加明显,而Al固溶于p相中可提高其韧性。 (3)对Si、Ge、Ca、Al、Zn、Cd等合金元素处于Mg-Li合金中晶界、相界时,对晶界、相界结合能力影响的研究结果显示Cd可提高Mg/Mg界面的结合强度和抗拉强度。Zn可提高α/β相界的结合强度,与之相反,Si、Ge、Al、Ca在α/β相界处的聚集却降低了其结合强度,其中Ca的降低幅度最大。 (4)对Al、Zn、Cd、Si、Ge、Ca、Sn、Gd、Y等合金元素与Mg形成的金属间化合物的体模量等物理量的研究发现Mg2Si、Mg2Ge、Mg2Sn、MgZn2、Mg17Al12这五种析出相均具有高的体模量、剪切模量和杨氏模量,在合金中均可起到析出强化作用,各模量的值按以下顺序依次递减:Mg2Si Mg2Ge MgZn2 Mg17Al12 Mg2Sn;依据体模量与剪切模量的比值可判定Mg3Gd、Mg7Gd、Mg24Y5、MgZn2这四种析出相的韧性较好且韧性依以下顺序递减:Mg3Gd Mg7Gd Mg24Y5 MgZn2。 (5)全面分析了各合金元素对Mg-Li合金强韧性等的影响得出Mg-Li-Zn-Si-Ge-Cd是较适宜的Mg-Li高强合金,Mg-Li-Al-Gd-Y-Ca将有可能成为轻质高强超塑性镁合金。


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