镁锂铝合金界面结构与性能第一性原理计算

作     者：郭宇豪 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周六如;刘勇

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：第一性原理计算 镁锂合金 界面分离功 电荷密度 态密度 

摘      要：Li元素是最轻的金属元素,其低密度、高塑性等性质补足了 Mg合金在塑性上的缺陷,并进一步扩大了 Mg合金低密度的优势。Mg-Li合金是当今世界上最轻的结构材料,具有高比强度、低密度、高电磁屏蔽性等优良性能,被认为是实现航空航天、汽车、3C等行业轻量化发展的是最优选择。而其较低的绝对强度严重制擘了Mg-Li合金在工业中的应用和推广。本文采用第一性原理计算的方法,计算了 Mg-Li-Al合金中基体α-Mg/β-Li界面和基体与第二相间的β-Li/AlLi界面,并且计算了第二相AlLi相及掺杂Zn元素后的性能,验证了其提升合金强度的可能性,从原子尺度上揭示了第二相在Mg-Li双相合金中的增强机理。本工作的结论可以为后续开发新型Mg-Li合金提供理论依据,缩短开发周期,降低开发成本。本文的主要工作内容与结论如下:(1)计算了α-Mg、β-Li和AlLi体相的结构性质,并与现有的计算值与实验值对比,验证了本工作计算的可靠性。本工作分别选择Mg(0001)表面与β-Li(011)表面以及β-Li(011)表面和AlLi(011)表面来搭建α-Mg(0001)/β-Li(011)界面模型和β-Li(011)/AlLi(011)界面模型。计算了 Mg(0001)表面、β-Li(011)表面和AlLi(011)表面的收敛性和稳定性以及界面间距d0和界面分离功Wsep建立了有效的Bridge型和Hollow型对齐方式的α-Mg(0001)/β-Li(011)界面模型和β-Li(011)/AlLi(011)界面模型并绘制了相对应的电荷密度分布图、差分电荷密度图和界面处原子的分波态密度图。推断出α-Mg(0001)、β-Li(011)以及AlLi(011)三个表面,在分别拥有6层原子层时其表面能最低,具有最好的综合可计算性,即高稳定性和低计算成本。并且除最外层原子层间距畸变率最大外,内层原子的畸变率趋于稳定且低于1%,可以视如晶体内部。Hollow型界面的界面分离功Wscp的数值更高,在界面处的电荷分布更密集,电荷转移程度和范围更广,原子间的杂化作用更加强烈,以至于界面结合的更加紧密。α-Mg(0001)/β-Li(011)和β-Li(0i1)/AlLi(011)界面的都是Hollow型对齐方式的界面结合能力高于另一种的Bridge型界面。(2)计算了AlLi相及其掺杂Zn原了后的结构、力学、电子和热力学性质。建立AlLi相的晶胞模型及掺杂Zn原子后的(Al 7/8,Zn 1/8)Li、(Al 6/8,Zn 2/8)Li和(Al 5/8,Zn 3/8)Li的晶胞模型。几何弛豫之后,计算出其各自的晶格常数、形成焓ΔH和结合能Echo;以及得到各自的弹性常数后,推导出各项力学性质参数;此后,绘制了电子性质的电子态密度图与电荷密度分布图和热力学性质的声子色散曲线图、声子态密度图及各项热力学状态参量(焓H、熵S、自由能F及定容热容Cv)随温度变化的曲线图。系统地研究了 AlLi相及其掺杂Zn元素后对Mg-Li合金的增强的可能性,Zn原子可以稳定地掺杂在AlLi相中,且随着Zn浓度的增加,掺Zn相的共价性增加。Li-Li键和Zn-Zn键的强度和取向的差异减小了掺Zn相的各向异性。掺杂相的弹性常数(B,G和E)均得到显着提高,并且(Al7/8,Zn1/8)Li具有最高的弹性常数,Zn原子的加入改善AlLi相的机械稳定性,延展性和塑性。AlLi相及其掺杂相在高温下可以稳定存在,且(Al 6/8,Zn 2/8)Li在高温下稳定性最好。本文计算表明,双相Mg-Li合金的基体与第二相间的β-Li/AlLi界面的结合能力远远高于基体之间的α-Mg/β-Li界面结合能力,证明了第二相既有高于基体的力学和热力学性能,又可以基体与产生有良好结合性能的界面,对采用第二相增强的双相Mg-Li合金的开发有指导作用。