Mg-Li-Zn-Y合金相界面第一性原理计算

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镁锂合金具备非常优异的综合性能,比如良好的热导率,优良的电磁屏蔽性能和阻尼性能,所以在航空航天、汽车工业、等领域的应用非常的广泛,锂合金是目前最具有应用价值的超轻金属结构材料之一。而Mg-Li-Zn-Y合金由于具有双相α-Mg和β-Li相,这取决于Li的含量,并且具有三元Mg-Zn-Y相,其中根据Zn/Y比含量的不同,可能会产生准晶相Mg3Zn6Y,LPSO相Mg12Zn Y,和面心立方的Mg3Zn3Y2相。而在材料的分析中有人认为Mg3Zn3Y2对于材料的性能的影响是有争议的,认为Mg3Zn3Y2和镁基体之间的是非共格界面,原子之间不能形成很好的界面结合。而有些人认为Mg3Zn3Y2对于材料的性能具有明显的提升作用。基于此,本文采用第一性原理的研究方法,研究了Mg3Zn3Y2在材料中界面的结合性能,从而评估Mg3Zn3Y2对于材料性能的影响。通过构建Mg3Zn3Y2/Mg和Mg3Zn3Y2/Li界面,计算并分析界面的分离功和界面处的电子结构,从原子与原子之间的结合探究其界面结合强度。其计算结果可以为Mg-Li-Zn-Y合金的设计和开发提供可靠的理论依据。主要的结论如下:(1)首先针对Mg,Mg3Zn3Y2体相进行了计算,其计算结果和之前的实验结果,模拟结果都非常的接近。之后根据Mg(0001)和Mg3Zn3Y2(111)表面能的计算,测试表面的收敛性。其中在界面处是往Mg(0001)中偏析了Li元素的。最终选择了13层的Mg-Mg3Zn3Y2(111),Zn-Mg3Zn3Y2(111),Y-Mg3Zn3Y2(111)的表面和5层的Mg(0001)表面,进行后续Mg(0001)/Mg3Zn3Y2(111)界面的模型建立,根据界面终端原子的不同还有界面处原子的配位关系,可以建立6种界面模型。其中界面最大的分离功是1.61 J/m~2。界面的电子结构显示界面处确实发生了电荷的转移,而界面的结合原子与原子之间的结合,发现特别是H原子的周围的电荷聚集较少。(2)之后研究了Li(110)/Mg3Zn3Y2(111)界面,对Li(110)表面进行了表面的收敛测试,同样选取了13层的Mg3Zn3Y2(111)表面和5层的Li(110)建立了三明治模型的Li(110)/Mg3Zn3Y2(111)界面,其中Li(110)表面是偏析了Mg原子,考虑到界面终端原子和界面处的原子的配位关系,选取经典的配位关系,穴位,桥位和顶位建立界面模型。界面的分离功是衡量界面结合强度重要的参数,发现建立的Li(110)表面含有大量的Mg原子,界面的分离功最大也是1.41 J/m~2。界面处的电子结构分析可得:电荷密度图发现界面处的电荷转移是比较少的。并且发现Li原子周围的电荷非常少,几乎没有电荷的聚集,整个原子呈现孤立的状态,不能和界面的其他原子进行电荷的转移。(3)从界面的电荷密度和差分电荷密度的角度评估Mg3Zn3Y2和基体之间的界面结合强度。论证Mg3Zn3Y2对于Mg-Li-Zn-Y合金性能的影响,且Mg3Zn3Y2界面的结合对于材料的力学性能的影响,说明Mg3Zn3Y2作为第二相在材料的微观组织性能之间的分析中,在双相镁锂合金中对于合金的性能是具有提升作用的,晶粒的细化在界面的角度来看,增加了界面的接触面积,这对于Mg3Zn3Y2和基体之间的粘合能力是有提升的,这和实验结论也是相互验证,晶粒细化提高合金的极限抗拉强度。(4)最后总结了Mg3Zn3Y2的界面结合性能。对于Mg-Li-Zn-Y的设计主要是希望加入Li元素可以提高合金的塑性能力,Li元素的含量非常重要,而Mg3Zn3Y2和基体之间的界面并不会拖累合金的整体性能,做好晶粒的细化,增加界面的面积对于材料的性能具有提升的效果。
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