Mg-TM-RE合金体系中点阵缺陷与强韧性机制的微观模拟研究

强韧性已成为制约镁合金广阔应用的瓶颈。本课题拟从原子尺度的缺陷微结构根源着手，运用理论计算与实验结果相结合的方法对堆垛缺陷能进行研究，分析GSF能量面空间分布特征，建立Mg-TM-RE合金体系重要相中不同密度堆垛缺陷能的理论计算模型，揭示不同密度堆垛缺陷的形成机制、微观过程及合金化效应的影响。并将主要滑移体系GSF能量面与P-N模型相结合，探索位错芯宽度、错配能、位错密度及peierls应力等位错芯性质特征及其与合金体系形变机制和应力应变的内在联系，结合稳定堆垛缺陷能、非稳定性堆垛能、非稳定性孪晶化能的理论计算结果，揭示点阵缺陷与强韧性机制的本质关联。通过应变路径连续情形下一系列增量应变来变形完美晶体，计算完美晶体的理论强度，探索外加应力下形变、电子性质变化详细过程，并揭示形变的微观机制和失效开裂的物理根源。为优化控制结构Mg-Zn-Y合金的形成、结构和性能，促进其应用提供依据和指导。

本项目研究按照研究计划正常进行，达到了预期目的，完成了拟定任务：从原子尺度的缺陷微结构根源着手，运用密度泛函系统研究揭示了纯镁、镁固溶体、Mg-RE及Mg-Zn-Y合金等体系层错体系GSF能量空间分布特征，揭示了不同密度层错体系结构特征、层错之间的相互作用及溶质原子对层错能的相互作用；发现了I1和I2 两种层错之间强烈的长程相互作用是LPS相独特堆垛缺陷结构的物理根源，揭示了不同密度堆垛缺陷的形成机制、微观过程及合金化效应的影响；进一步运用广义P-N模型中，并与GSF能量面相结合，研究了纯镁、镁固溶体、B2-MgRE (RE=La-Er)合金、L12型 Al3Sc和Al3Mg相中各种位错芯性质，揭示了不稳定层错能与稳定层错能都对位错性能也有重要影响，且随着不稳定层错能增加，Peierls能和Peierls应力也逐渐增加； 发现了溶质原子与镁固溶体位错相互作用特征。 通过应变路径连续情形下一系列增量应变来变形完美晶体，研究了化合物Mg2X (X=Si, Ge, Sn, Pb)和 L12 型Al3X (X=Mg, Sc, Zr)力学性能，发现强韧性等力学性能不能仅仅有小应变情况的弹性性能确定，应由包括小应变和大应变的完全范围的应力-应变曲线决定；计算研究了七种HCP纯金属（Be, Mg, Ti, Zn, Y, Zr 和 Ru）的应力-应变曲线，发现这些HCP纯金属的理想剪切强度主要在基面{0001}或棱柱面 {10-10}，基面< 10-10 > 方向的理想剪切强度小于<11-20 > 方向.而理想张量强度沿着< 0001 >。而且力学张量和剪切强度随着c/a的减少而增加。并表明单晶LPS相的弹性及力学性能的优势不是很突出，与纳米尺度镁基体颗粒和纳米Mg24Y5颗粒的有机有效结合才能体现合金的优异力学性能。运用协同剪切机制，研究了四种Laves相形变层错特征，发现：Laves相中非稳定层错能和非稳定孪晶层错能仍然较高，而稳定层错能稳定孪晶层错能较低，表明扩展分位错和孪晶化都是是可能的形变模式，但很难实现，从根源上揭示Laves相呈现脆性的物理机制；并结合稳定堆垛缺陷能和非稳定堆垛缺陷能的结果，建立了位错芯性质特征与合金体系形变机制的内在联系，揭示了点阵缺陷与强韧性的本质关联。为优化控制结构Mg-TM-RE合金的形成、结构和性能，促进其应用提供依据和指导。