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鎂合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料， ZK系鎂合金是目前應(yīng)用廣泛的高強(qiáng)鎂合金。本文采用計(jì)算材料學(xué)方法揭示了微合金化增強(qiáng)析出相密度的機(jī)理。Guinier-Preston區(qū)(GP區(qū))是ZK系鎂合金中的初期析出相，對(duì)析出強(qiáng)化效果有著重要的作用。本文系統(tǒng)研究了Ag，Ca，Al，Zr等四種微合金化元素對(duì)GP區(qū)穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)含Ag和Ca元素能提高GP區(qū)形成能，而Al和Zr則無(wú)法提高GP區(qū)形成能，由此推測(cè)Ag和Ca具有增加GP區(qū)穩(wěn)定性，提高其形核率的效果;而Al和Zr不具有提高形核率的效果;這與實(shí)驗(yàn)上Ag和Ca能增加析出相GP區(qū)密度但Al和Zr無(wú)此效果相一致。論文還探索了這些合金元素在GP區(qū)中的電子結(jié)構(gòu)特征：發(fā)現(xiàn)Ca在GP區(qū)中其成鍵態(tài)增強(qiáng)，而Al和Zr在GP區(qū)中其反鍵態(tài)增強(qiáng);這分別導(dǎo)致了體系穩(wěn)定性的增加和減弱。 而Ag增強(qiáng)GP區(qū)的穩(wěn)定性是源于其能減弱體系的泡利排斥能，從而導(dǎo)致體系穩(wěn)定性增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)ZK系微合金化機(jī)理的研究，該課題的研究者們探索了如何將材料關(guān)鍵熱力學(xué)量與材料宏觀性質(zhì)改變進(jìn)行關(guān)聯(lián)的可行性，并試圖從電子結(jié)構(gòu)理解影響熱力學(xué)量的成因。目前，該課題的研究者們正在研究如何通過(guò)電子結(jié)構(gòu)特征來(lái)預(yù)估合金元素在特定合金中的宏觀性能的影響。
ZK系合金是目前強(qiáng)度較大的商用鎂合金，但其強(qiáng)度仍然不能滿足實(shí)際需要。合金元素能改變ZK系合金析出強(qiáng)化效果，研究合金元素對(duì)析出強(qiáng)化機(jī)理的影響有著重要意義。本文提出GP區(qū)穩(wěn)定性是影響析出相初期成核的主要因素。本文構(gòu)建了一系列三明治模型結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)GP區(qū)的原子結(jié)構(gòu)，這些三明治結(jié)構(gòu)可以按照慣析面方向(0001), (10-10)和(11-20)分為三類，如圖1(a)，1(b)和1(c)中所示，分別為(0001), (10-10)和(11-20)面。
另外，計(jì)算結(jié)果還顯示同時(shí)含有Ag和Ca的GP區(qū)在各個(gè)慣析面析出的形成能更加相近，使得GP區(qū)析出幾率進(jìn)一步增大，因此同時(shí)添加兩種元素Ag和Ca的強(qiáng)化效果比只添加一種元素的強(qiáng)化效果好，這與實(shí)驗(yàn)上Mg-Zn-Ag-Ca的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)要比Mg-Zn-Ag或Mg-Zn-Ca的效果好相一致。然而，Zr和Al會(huì)降低GP區(qū)的穩(wěn)定性，因此Zr和Al不能在GP區(qū)的中偏析。這說(shuō)明Zr和Al并不會(huì)增加Mg-Zn合金的析出強(qiáng)化效果，這與實(shí)驗(yàn)上Mg-Zn-Al強(qiáng)度并不比Mg-Zn合金強(qiáng)度大相一致。
我們以典型的Mg7Zn0.75M0.25(11-20)為例子來(lái)分析電子結(jié)構(gòu)與形成能的關(guān)系。由圖3可知，合金元素Ag態(tài)密度比其平衡態(tài)更局域，反映其泡利排斥能降低。因此，在該結(jié)構(gòu)中加入Ag將使其能量降低，這與形成能計(jì)算結(jié)果相吻合。 注意到，Ag、 Ca、 Zr 和Al原子的價(jià)電子結(jié)構(gòu)依次分別為4d105s1， 3p64s2， 4d25s2和3s23p1。Ag的d電子所占比重非常高，達(dá)90%，而Ca、Zr和Al的d電子占比分別為0，50%和0。相較于Ca，Zr和Al原子，Ag原子電子態(tài)更局域。在三明治結(jié)構(gòu)中Ag電子態(tài)比平衡態(tài)Ag電子態(tài)更加局域，是因?yàn)樵谄胶鈶B(tài)結(jié)構(gòu)中臨近Ag原子的d電子態(tài)互相耦合，引起能帶展寬。在三明治結(jié)構(gòu)中Ag原子無(wú)此效應(yīng)。對(duì)于Ca，在低于費(fèi)米能級(jí)的部分，相較于平衡態(tài)，三明治結(jié)構(gòu)中Ca的電子態(tài)更多，成鍵態(tài)增強(qiáng)，所以形成能降低。對(duì)于Zr和Al，在費(fèi)米面以下，三明治結(jié)構(gòu)中Zr或Al電子態(tài)比其平衡態(tài)少，費(fèi)米以上的反鍵態(tài)增強(qiáng)。因此，三明治結(jié)構(gòu)中加入Zr或Al將增加形成能。至此，我們可從電子結(jié)構(gòu)層次理解關(guān)鍵熱力學(xué)量GP區(qū)行成能的變化。
評(píng)論區(qū)
