基于第一性原理和分子动力学的镁合金强韧化基础研究资料

《高性能细晶-混晶Mg-13Gd合金制备与强韧化机理》高性能细晶-混晶Mg-13Gd合金制备与强韧化机理一、引言随着现代工业的快速发展，轻质、高强度的合金材料越来越受到关注。

其中，镁合金因具有低密度、良好的铸造性能以及较高的比强度等特点，已成为汽车、航空等重要领域的轻量化材料之一。

在众多镁合金中，高性能细晶/混晶Mg-13Gd合金因具有良好的机械性能和可塑性备受青睐。

本文将主要讨论此类合金的制备过程及强韧化机理。

二、Mg-13Gd合金的制备1. 材料选择与配比制备高性能细晶/混晶Mg-13Gd合金，首先需要选择合适的原材料。

通常，我们选择纯度较高的镁和钆（Gd）作为原料，并按照设定的比例进行配比。

2. 熔炼与铸造在熔炼过程中，将选定的原材料放入坩埚中，通过高温熔炼使其完全熔化。

随后，将熔融的金属液倒入模具中进行铸造。

这一步是制备合金的关键步骤，直接影响到合金的组织结构和性能。

3. 固溶处理与热处理为了进一步优化合金的组织结构，需要进行固溶处理和热处理。

固溶处理是将合金加热至一定温度，使原子充分扩散和溶解；热处理则是通过调整温度和时间，使合金的晶粒得到细化，从而提高其性能。

三、强韧化机理1. 细晶强化细晶强化是提高镁合金性能的重要手段之一。

通过优化熔炼和热处理工艺，可以获得细小的晶粒组织。

细小的晶粒可以有效地提高材料的强度和韧性，因为晶界对裂纹的扩展具有阻碍作用。

此外，细晶强化还可以提高材料的抗疲劳性能和耐腐蚀性能。

2. Gd元素强化Gd元素的加入可以显著提高镁合金的性能。

Gd元素在镁基体中形成第二相颗粒，这些颗粒可以有效地阻碍位错运动，从而提高材料的强度。

此外，Gd元素还可以改善合金的耐热性能和抗蠕变性能。

3. 混晶强化混晶强化是指同时采用不同大小的晶粒来强化材料性能的一种方法。

在Mg-13Gd合金中，通过调整制备工艺和热处理条件，可以获得由细小晶粒和较大晶粒组成的混晶组织。

这种混晶组织可以在保持材料高强度的同时，提高其塑性和韧性。

《高性能细晶-混晶Mg-13Gd合金制备与强韧化机理》高性能细晶-混晶Mg-13Gd合金制备与强韧化机理一、引言随着现代工业的快速发展，轻质、高强度的金属材料需求日益增长。

镁合金以其低密度、良好的加工性能和较高的比强度而受到广泛关注。

Mg-Gd合金系列因其独特的力学性能和优良的加工性能在众多镁合金中脱颖而出。

本文以高性能细晶/混晶Mg-13Gd合金为研究对象，探讨其制备工艺及强韧化机理，以期为相关领域的研究与应用提供理论支持。

二、材料制备1. 合金成分设计Mg-13Gd合金的成分设计基于Gd元素对镁基体的固溶强化作用。

通过控制Gd元素的含量，以达到优化合金性能的目的。

2. 制备工艺采用真空熔炼法进行合金制备，通过精确控制熔炼温度、熔炼时间和冷却速率等工艺参数，获得细晶/混晶组织。

三、组织结构分析1. 显微组织观察利用光学显微镜、电子显微镜等手段对合金的显微组织进行观察，分析晶粒大小、形态及分布情况。

2. 相结构分析通过X射线衍射、透射电镜等手段对合金的相结构进行分析，明确合金中的相组成及相分布。

四、强韧化机理1. 固溶强化Gd元素在镁基体中的固溶，能够提高合金的强度和硬度。

固溶强化机理主要通过阻碍位错运动，提高合金的变形抗力。

2. 细晶强化细晶组织具有较高的晶界密度，能够有效地阻碍裂纹扩展，提高合金的韧性。

通过控制冷却速率和热处理工艺，可获得细晶组织，进一步提高合金的力学性能。

3. 第二相强化合金中的第二相颗粒能够有效地阻碍位错运动和晶界滑移，提高合金的强度和韧性。

通过调整合金成分和热处理工艺，可控制第二相的形态、尺寸和分布，进一步优化合金的性能。

五、性能测试与分析对制备的Mg-13Gd合金进行力学性能测试，包括拉伸性能、硬度等。

通过对比不同工艺参数下合金的性能，分析制备工艺及强韧化机理对合金性能的影响。

同时，结合组织结构分析，揭示强韧化机理与组织结构之间的关系。

六、结论通过上述研究，得出以下结论：1. 采用真空熔炼法制备的Mg-13Gd合金，通过控制熔炼温度、熔炼时间和冷却速率等工艺参数，可获得细晶/混晶组织。

学校代码*****学号************分类号O482 密级硕士学位论文稀土镁合金β'和β"以及6H LPS相的第一性原理研究学位申请人陈平指导教师唐壁玉教授学院名称材料与光电物理学院学科专业材料物理与化学研究方向计算材料学二○一○年五月First-principles Study of β'，β" and 6H LPS Phases in Mg-rare Earth AlloyCandidate Chen PingSupervisor Professor Tang Bi-yuCollege Faculty of Material and Photoelectronic PhysicsProgram Material Physics and ChemistrySpecialization Computational MaterialsDegree Master of EngineeringUniversity Xiangtan UniversityDate May, 2010湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要镁合金密度低、力学性能优异、电磁屏蔽能力强，在航空航天、交通运输、电子等领域具有重要的应用价值和应用前景。

混晶结构Mg-Al-Zn合金力学性能及强韧化机制镁合金是最轻的工程材料,具有高比强度、易回收、抗疲劳、高阻尼减震性等一系列优异性能,在空天、数码3C、化工等领域具有广阔应用前景力。

但是由于镁合金属于密排六方结构（hexagonal close packed,HCP）,较铝、铜等面心立方结构（face centered cubic,FCC）材料而言,滑移系少,成形加工困难,因此镁合金的加工应用一直存在困难。

目前,镁合金的加工制备主要采用大变形方式（ECAP,HPT）,制备所得镁合金组织均匀细小（纳米晶）,往往具有强度高,塑性差的特点。

如何在保证材料强度的条件下,提高材料的塑性一直是镁合金研究的重点。

近几年,部分研究学者制备出了具有混晶结构的镁合金,混晶结构镁合金较均匀细晶结构镁合金而言,强度略微下降,塑性大幅度提升。

但是,目前针对镁合金混晶组织的成型机理研究较少;并且混晶同时提高材料强塑性的机制尚未有一个统一的定论。

本人所在课题组针对Mg-9Al-1Zn（AZ91）合金的变形进行了大量研究,目前通过衬板轧制（HPR）能够制备具有高强塑性的混晶AZ91合金。

为了研究混晶结构成型机制以及混晶对强塑性的影响,我们将Mg-6Al-1Zn（AZ61）和Mg-3Al-1Zn （AZ31）合金作为对照组进行了研究。

本人针对上述问题对AZ31和AZ61合金能否产生混晶,混晶的产生条件进行了研究。

并且针对混晶的强韧化机制进行了研究,得出如下结论:（1）研究了Al 含量对Mg-Al-Zn系合金衬板控制轧制后组织的影响。

实验结果表明,随着Al含量的增加,在同一轧制条件（350 ^oC）下进行衬板控制轧制,合金的组织逐渐由均匀组织转变为混晶组织,并且其中的细晶晶粒尺寸也逐渐减小（从⁵μm减小到².7μm）。

第一性原理分子动力学第一性原理分子动力学是一种基于量子力学的计算方法，它能够准确地模拟原子和分子在不同条件下的运动和相互作用。

这种方法的核心是通过求解薛定谔方程来描述原子核和电子的运动状态，从而得到系统的能量、结构和性质等信息。

相比传统的分子动力学方法，第一性原理分子动力学不需要任何经验参数，能够提供更加准确和可靠的结果，因此在材料科学、化学、生物学等领域得到了广泛的应用。

首先，第一性原理分子动力学的基本原理是薛定谔方程。

薛定谔方程是描述微观粒子运动的基本方程，它能够准确地描述原子核和电子的运动状态，并通过求解得到系统的能量和波函数等信息。

在分子动力学中，我们可以利用薛定谔方程来模拟原子和分子在外力作用下的运动轨迹，从而了解系统的动力学行为。

其次，第一性原理分子动力学的核心是第一性原理计算。

第一性原理计算是一种基于量子力学的计算方法，它不需要任何经验参数，能够通过解析求解薛定谔方程来得到系统的能量、结构和性质等信息。

在分子动力学中，我们可以利用第一性原理计算来模拟原子和分子的结构和动力学行为，从而得到系统的稳定结构、振动频率、力学性质等重要信息。

第一性原理分子动力学在材料科学领域有着广泛的应用。

通过模拟原子和分子在不同条件下的运动和相互作用，我们可以研究材料的力学性质、热学性质、电子结构等重要信息，从而为材料设计和应用提供重要的参考。

例如，我们可以通过第一性原理分子动力学来研究新型材料的力学性能，为材料的设计和合成提供重要的指导。

此外，第一性原理分子动力学在化学和生物学领域也有着重要的应用。

通过模拟分子在不同条件下的运动和相互作用，我们可以研究化学反应的机理和动力学行为，为新型催化剂和反应体系的设计提供重要的参考。

同时，我们还可以利用第一性原理分子动力学来研究生物分子的结构和功能，为药物设计和生物技术提供重要的支持。

总的来说，第一性原理分子动力学是一种基于量子力学的计算方法，能够准确地模拟原子和分子在不同条件下的运动和相互作用。

镁合金研究报告
镁合金是一种轻质高强度材料，在航空、汽车、电子、医疗等方面有广泛的应用前景。

然而，镁合金材料还存在着一些问题，如易腐蚀、低韧性等，因此需要进行进一步的研究。

本文将从镁合金的研究现状、制备方法、性能改进等方面进行讨论。

一、镁合金的研究现状
（1）制备方法的研究：包括溶液处理、机械制备、热加工、复合材料制备等。

（2）合金化的研究：利用添加其他元素来改善镁合金的力学性能、耐腐蚀性能等。

（3）力学性能的研究：包括强度、延展性、硬度、耐蚀性等的研究。

（4）应用研究：应用于航空、汽车、电子、医疗等领域。

二、制备方法
制备镁合金的方法有多种，以下是比较常见的几种方法：
（1）溶液处理：利用化学法将钠、铝、锂等元素在高温下溶解于镁中，从而实现镁合金化的方法。

（2）机械制备：通过机械研磨、球磨等方法，将两种或多种金属粉末混合制备而成。

（3）热加工：通过加热、压力等方法，将镁合金加工成所需要的形状。

（4）复合材料制备：通过利用纤维增强材料制备出具有高强度、高韧性的复合材料。

三、性能改进
为了改善镁合金材料的性能，可以采用以下方法：
（2）热处理：通过加热、冷却等方法，改善镁合金的力学性能、韧性和耐蚀性等。

（3）表面处理：对镁合金材料进行氧化、涂层等表面处理，提高其抗腐蚀性。

四、结论。

基于分子动力学镁合金塑性变形机制的研究进展杨宝成;彭艳;潘复生;石宝东【摘要】基于分子动力学方法的计算材料科学是研究微纳米尺度变形机理的重要途径,有助于理清镁合金不同塑性变形机制间的详细竞争关系.本文概述了镁合金中滑移、孪生和晶界滑移变形机制的作用机理;简要介绍了分子动力学基本原理和适用于密排六方结构金属的常用势函数;详细阐述了基于分子动力学方法镁合金塑性变形机制的研究进展.在综述目前研究存在问题的基础上,指出开发适用于镁合金多元体系的高精度势函数以及如何实现多个尺度的衔接等方面是今后研究的重要方向.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2019(047)008【总页数】9页(P40-48)【关键词】分子动力学;镁合金;塑性变形机制;势函数【作者】杨宝成;彭艳;潘复生;石宝东【作者单位】燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心 ,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院 ,河北秦皇岛066004;燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心 ,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院 ,河北秦皇岛066004;重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心,重庆400044;燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心 ,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院 ,河北秦皇岛066004【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+2镁合金材料具有密度低、比强度高的优点，被广泛应用于汽车和航空航天等领域以实现产品的轻量化[1-3]，可以有效地解决日益突出的能源问题和尾气排放等环境问题，备受国内外学者和工程人员的关注。

然而，镁合金具有低对称性的密排六方(hexagonal close-packed, HCP)晶体结构，塑性变形时只有较少的滑移系和孪生变形机制开动，易形成较强的基面织构，造成镁合金的力学性能具有明显的各向异性和拉压强度不对称性(strength differential effect, SD)及较低的延展性和成形能力，严重地制约着镁合金的大规模应用[4-7]。

毕业设计（论文）任务书工作计划工作记录模，然后采用NPT系综，将模型在高温平衡至势能稳定，获得熔融合金组织。

随后，以不同的冷却速率模拟高温熔融合金的淬冷凝固过程。

针对不同温度下平衡得到的玻璃组织，进行常规紧邻分析。

在玻璃组织中，通常二十面体(1551)基团的比例要远高于fcc(1421)或hcp(1422)结构的比例，并可以用来描述金属玻璃中的局部结构特征。

研究不同组分的二十面体，计算基团及基团之间的电子结构，构筑Mg52RE2 (RE=Sc, Y, Gd-Tm)合金系玻璃组织的基团模型。

Amorphous Cel l搭建玻璃组织模型一般采用立方盒子，因而会有C11，C12，和C44三个独立的弹性常数。

针对不同组分熔融合金退火至室温的玻璃组织，施加不同方式的应变来计算相应的应变能，通过二次拟合获得三个独立的弹性常数。

进一步，由V oigt近似关系可以求得弹性模量等力学参数。

类似的应变操作，计算应力和应变关系，可以获得金属玻璃的理想剪切(拉伸)强度。

最终，结合基团模型和电子性质分析，解析并预测不同组分力学性质4月 6日（第5周）内容提要：本课题的研究意义是？本课题将针对镁玻璃研发过程中如何解析玻璃组织力学性能的关键问题，采用第一性原理分子动力学与密度泛函理论相结合的方法，深入研究Mg52RE2 (RE=Sc, Y, Gd-Tm)合金系玻璃组织的微观拓扑结构并由此了解电子相互作用，探索镁玻璃强化机理并预测组分相关的力学性能。

从而，构建Mg52RE2 (RE=Sc, Y, Gd-Tm)金属玻璃微观组织和力学性能的基团解析。

本课题的研究结果将对研发新型非晶镁合金提供新的线索和途径，同时，构建的计算模型也为解析和预测其它合金体系金属玻璃的结构与力学性能关系提供新的思路。

4月 14 日（第7周）内容提要：什么是密度泛函理论？密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。

密度泛函理论在物理和化学上都有应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。