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CASTEP算关于掺杂对镁基合金电子特性、力学性能理论影响的硕士论文（2010的）
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Nd及Al对Mg基合金电子特性、力学性能影响的理论分析 王灿 【摘要】：同铝合金和钢铁相比，镁及镁合金的应用可以使得材料的重量显著地降低。但是镁合金的强度和塑性较差，同时低的耐热性也是制约镁合金广泛应用的主要原因，所以提高镁合金的室温及高温强度已成为镁合金发展的关键问题之一。合金元素的添加，可以对镁合金产生强化作用，从而改善其常温及高温时的力学性能。镁合金中最常用的合金元素通常有五类，分别是：铝、锌、锰、钙和稀土元素，其中尤以稀土元素和铝元素的应用最为广泛和有效。 利用现代表征技术可以在实验中得到Mg-Nd及Mg-Al合金的相关力学参数，但是目前来讲对于它们的微观结构与性能间关系以及原子尺度上的强化机理还缺乏详尽的了解。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法，借助计算机模拟，从原子层次上分析了Al、Nd合金元素在Mg基合金中固溶强化、析出强化机理，从而对实验研究起到一定的指导作用。 Mg-Nd合金中分析了镁与钕形成的金属间化合物的结构稳定性，研究发现五种金属间化合物的形成热均为负值，并且Mg12Nd形成热的绝对值最大，表明了Mg12Nd容易形成；但是对于结合能而言，Mg12Nd结合能的绝对值却最小，说明Mg12Nd的稳定性较差。综上所述Mg12Nd虽然容易形成，但它的稳定性较差。这一结论与实验观察结果一致。分析表明在Mg-Nd合金中常温状态下起强化析出相不是Mg12Nd而是Mg41Nd5。 Mg-Al合金中铝既可以固溶于镁、又可与镁形成金属间化合物Mg17Al12，本文主要针对铝的固溶强化作用进行了分析，构建了三种超单胞结构，发现Mg54，Mg53Al和Mg51Al3(Ⅰ)的结合能均为负值，表明这三种超单胞结构均能稳定存在；并且它们结合能的绝对值随着Al含量的增加而升高，即随着Al含量的增加，Mg-Al固溶体的稳定性逐渐升高。通过对理论应力－应变曲线分析，得出Mg51Al3(Ⅰ)的理论抗拉强度为8.15GPa，与Mg54(7.47GPa)相比增加了9.1[％]，这说明Al原子固溶于Mg(0001)界面后，可改善其抗拉强度。局域变形分析发现：Mg53Al晶体结构的断裂发生于Mg1与Mg2界面之间，而含有Al原子的Mg/Al与Mg1界面之间并没有发生断裂，表明Al原子固溶于Mg(0001)界面后有利于提高Mg(0001)的界面结合强度。通过对电荷密度及态密度的分析，可以看出：Al原子固溶于Mg(0001)界面后，可使其邻近的Mg原子的电荷发生重新分布，这些电荷由Al和Mg原子所共用并且有明显的成键方向性，说明Al和Mg不再是单一的离子态，它们之间产生了强烈的共价作用，从而增强了Al、Mg原子间的结合能力，提高了其抗拉强度。 【关键词】：镁基合金 稀土元素 元素添加 力学性能 固溶强化 结构稳定性 【学位授予单位】：太原理工大学 【授予学位】：硕士 【学位年度】：2010 【分类号】：TG146.22 TG156.94 【目录】： 摘要2-3 Abstract4-6 第一章 绪论7-19 1.1镁的存在形式7 1.2镁及镁合金的历史7-8 1.3国内镁及镁合金的现状8 1.4镁及镁合金的性质9-10 1.4.1镁及其性质9 1.4.2镁合金及其性质9-10 1.5镁及镁合金的应用10-13 1.5.1镁及镁合金在汽车工业中的应用10 1.5.2镁及镁合金在航空航天工业中的应用11 1.5.3镁及镁合金在“3C”工业中的应用11-12 1.5.4镁及镁合金在摩托车和自行车中的应用12 1.5.5镁及镁合金在医学中的应用12-13 1.6镁及镁合金应用的制约因素13-14 1.7镁的合金化14-16 1.7.1镁的合金化强化原理14-15 1.7.2镁合金中合金元素对组织和性能的影响15-16 1.8课题的提出及意义16-17 参考文献17-19 第二章 计算方法和软件介绍19-43 2.1多粒子系统的定态薛定谔方程20-21 2.2能带理论21-28 2.2.1绝热近似21-24 2.2.2单电子近似（Hartree-Fock近似）24-27 2.2.3周期场近似27-28 2.3密度泛函理论（DFT）28-36 2.3.1Thomas-Fermi模型29-30 2.3.2Hohenberg-Kohn定理30-32 2.3.3Kohn-Sham方程32-34 2.3.4交换-关联能函数近似34-35 2.3.4.1LDA泛函35 2.3.4.2GGA泛函35 2.4赝势平面波方法36-39 2.4.1赝势的概念及引入36-38 2.4.2规范-守恒赝势38 2.4.3超软赝势38-39 2.5CASTEP软件包介绍39-41 2.5.1超晶胞方法39 2.5.2平面波40 2.5.3自洽电子弛豫方法40-41 2.5.4快速傅立叶变换41 参考文献42-43 第三章 Mg-Nd金属间化合物结构稳定性及电子结构的研究44-58 3.1引言44 3.2结构模型与计算方法45 3.2.1Mg-Nd金属间化合物的晶体结构及Nd-Mg相图45-47 3.2.2计算参数的设置47-51 3.2.2.1交换-关联函数48-49 3.2.2.2截断能（Cut-off energy）49 3.2.2.3K点的设置49-50 3.2.2.4赝势选择50 3.2.2.5其它参数50-51 3.2.3性能计算52 3.3计算结果与讨论52-56 3.3.1形成热52-53 3.3.2结合能54-55 3.3.3态密度55-56 3.4小结57 参考文献57-58 第四章 Al原子对Mg-Al合金固溶强化的理论分析59-71 4.1引言59 4.2结构模型与计算方法59-61 4.2.1Mg-Al固溶体的晶体结构59-61 4.2.2计算参数的设置61 4.3计算结果与讨论61-68 4.3.1结合能61-62 4.3.2第一性原理拉伸实验62-66 4.3.2.1应力-应变曲线及抗拉强度63-65 4.3.2.2总能增量-应变曲线65 4.3.2.3局部变形分析65-66 4.3.3电荷密度及态密度66-68 4.4小结68-69 参考文献70-71 第五章 结论和展望71-72 5.1结论71 5.2有待进一步研究的问题72 致谢73 攻读硕士期间发表的论文74 |
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