基于第一性原理的二元鎂合金固溶及析出強(qiáng)化機(jī)制深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代材料科學(xué)領(lǐng)域，鎂合金作為一種極具潛力的輕質(zhì)金屬材料，正受到越來越多的關(guān)注。鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、減震性和電磁屏蔽優(yōu)良以及可回收利用等突出特點(diǎn)，在航空航天、汽車、電子通信、軌道交通等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在航空航天領(lǐng)域，減輕結(jié)構(gòu)材料的重量對(duì)于提高有效載荷的承載能力和航天器的綜合性能至關(guān)重要，鎂合金憑借其低密度特性成為減輕重量的理想金屬結(jié)構(gòu)材料，被用于制造衛(wèi)星支架、陀螺儀安裝框架板等部件。在汽車工業(yè)中，使用鎂合金制造零部件可以有效減輕車身重量，提高燃油效率，降低尾氣排放，符合當(dāng)前環(huán)保和節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)，如鎂合金被應(yīng)用于汽車座椅骨架和防撞梁等部件的制造。在電子通信領(lǐng)域，鎂合金良好的電磁屏蔽性能使其成為電子設(shè)備外殼的理想材料，能夠有效防止電子設(shè)備內(nèi)部的電磁干擾，提高設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，常用鎂合金仍存在一些性能上的局限，嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用。鎂合金的強(qiáng)度和硬度相對(duì)較低，難以滿足一些對(duì)材料力學(xué)性能要求較高的工作環(huán)境。其抗蠕變性能不足，在高溫和長時(shí)間載荷作用下，容易發(fā)生蠕變變形，影響構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性和使用壽命。鎂合金的耐蝕性較差，在潮濕、酸堿等腐蝕性環(huán)境中，容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，降低材料的性能和可靠性。這些問題限制了鎂合金在一些關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用，如在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的強(qiáng)度、耐腐蝕性和可靠性要求極高，鎂合金的性能局限使其在某些部件的應(yīng)用上受到限制；在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫部件的應(yīng)用中，鎂合金的抗蠕變性能不足也成為阻礙其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。為了突破鎂合金性能的瓶頸，提升其綜合性能，固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化成為兩種極為重要且有效的手段。固溶強(qiáng)化通過向鎂合金基體中添加合金元素，使合金元素原子溶入鎂晶格中，形成固溶體。由于溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差異，會(huì)導(dǎo)致基體晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)。這種應(yīng)力場(chǎng)能夠阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的強(qiáng)度和硬度。例如，在鎂合金中添加鋁元素，鋁原子溶入鎂基體后，會(huì)使基體晶格發(fā)生畸變，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙，合金的強(qiáng)度得到提升。析出強(qiáng)化則是在合金的時(shí)效處理過程中，從過飽和固溶體中析出細(xì)小、彌散分布的第二相粒子。這些粒子能夠與位錯(cuò)相互作用，阻礙位錯(cuò)的滑移，進(jìn)而顯著提高合金的強(qiáng)度和硬度。如在一些鎂合金中，經(jīng)過固溶時(shí)效處理后，會(huì)析出Mg17Al12等第二相粒子，這些粒子彌散分布在基體中，有效地阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使合金的強(qiáng)度和硬度大幅提高。通過固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化，可以顯著改善鎂合金的強(qiáng)度、硬度、抗蠕變性能等，拓寬其應(yīng)用范圍，使其能夠滿足更多領(lǐng)域、更高性能要求的應(yīng)用場(chǎng)景。第一性原理計(jì)算作為一種基于量子力學(xué)的理論計(jì)算方法，在研究鎂合金的固溶及析出強(qiáng)化機(jī)制方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。它能夠從原子和電子層面深入探究合金元素在鎂基體中的溶解行為、原子間的相互作用以及析出相的形成過程和結(jié)構(gòu)特征。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法相比，第一性原理計(jì)算無需依賴大量的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)，能夠在理論層面快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)合金的性能，為實(shí)驗(yàn)研究提供重要的理論指導(dǎo)和方向。通過第一性原理計(jì)算，可以詳細(xì)了解溶質(zhì)原子在鎂基體中的占位情況、固溶體的穩(wěn)定性以及固溶強(qiáng)化的微觀機(jī)制。在研究析出強(qiáng)化時(shí)，能夠預(yù)測(cè)析出相的種類、晶體結(jié)構(gòu)、析出順序以及它們與基體之間的界面特性等。這些微觀層面的信息對(duì)于深入理解固溶及析出強(qiáng)化機(jī)制，進(jìn)而指導(dǎo)高性能鎂合金的成分設(shè)計(jì)和制備工藝優(yōu)化具有至關(guān)重要的意義。通過第一性原理計(jì)算揭示的微觀機(jī)制，可以有針對(duì)性地選擇合金元素和優(yōu)化熱處理工藝，提高鎂合金的性能，降低研發(fā)成本和周期，推動(dòng)鎂合金材料的發(fā)展和應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在二元鎂合金固溶及析出強(qiáng)化的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者從實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算兩個(gè)主要方向展開了深入探索，取得了一系列有價(jià)值的成果。在實(shí)驗(yàn)研究方面，眾多學(xué)者對(duì)二元鎂合金中合金元素的固溶強(qiáng)化效果進(jìn)行了廣泛研究。通過大量實(shí)驗(yàn)，確定了多種合金元素在鎂合金中的固溶度以及它們對(duì)合金性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在Mg-Al合金中，隨著鋁元素固溶量的增加，合金的強(qiáng)度和硬度顯著提高。這是因?yàn)殇X原子半徑與鎂原子半徑存在差異，鋁原子溶入鎂晶格后，會(huì)引起晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化。當(dāng)鋁含量在一定范圍內(nèi)時(shí)，合金的強(qiáng)度和硬度隨著鋁含量的增加而不斷上升，但當(dāng)鋁含量超過一定值后，由于會(huì)形成過多的脆性相，合金的塑性會(huì)下降。鋅元素在鎂合金中也具有明顯的固溶強(qiáng)化作用，它能提高合金的室溫強(qiáng)度和硬度。鋅原子溶入鎂基體后，同樣會(huì)使晶格發(fā)生畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，進(jìn)而提高合金的強(qiáng)度。同時(shí)，鋅元素還能與其他元素協(xié)同作用，進(jìn)一步優(yōu)化合金的性能。對(duì)于析出強(qiáng)化，研究者通過實(shí)驗(yàn)深入分析了不同合金元素形成的析出相的種類、形貌、尺寸和分布對(duì)合金性能的影響。在Mg-Zn合金中，時(shí)效處理后會(huì)析出MgZn2等第二相粒子。這些粒子呈細(xì)小、彌散狀分布在基體中，與位錯(cuò)相互作用，阻礙位錯(cuò)的滑移，從而使合金的強(qiáng)度大幅提高。當(dāng)析出相的尺寸適中、分布均勻時(shí)，合金的強(qiáng)化效果最佳。如果析出相尺寸過大或分布不均勻，會(huì)降低合金的性能。在Mg-Al合金中，時(shí)效過程中會(huì)析出β-Mg17Al12相，該相的析出對(duì)合金的強(qiáng)度和硬度提升起到關(guān)鍵作用。β-Mg17Al12相的析出形態(tài)和分布受時(shí)效工藝的影響，通過調(diào)整時(shí)效溫度和時(shí)間，可以控制β-Mg17Al12相的析出，從而優(yōu)化合金的性能。在理論計(jì)算方面，第一性原理計(jì)算已成為研究二元鎂合金固溶及析出強(qiáng)化機(jī)制的重要手段。通過第一性原理計(jì)算，能夠從原子和電子層面揭示合金元素在鎂基體中的溶解行為、原子間的相互作用以及析出相的形成過程和結(jié)構(gòu)特征。有學(xué)者運(yùn)用第一性原理計(jì)算研究了溶質(zhì)原子在鎂基體中的占位情況和固溶體的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果表明，不同溶質(zhì)原子在鎂基體中的占位存在差異，這會(huì)影響固溶體的穩(wěn)定性和固溶強(qiáng)化效果。一些溶質(zhì)原子傾向于占據(jù)鎂晶格的特定位置，形成更穩(wěn)定的固溶體結(jié)構(gòu)，從而提高固溶強(qiáng)化效果。通過計(jì)算原子間的相互作用能，還可以深入理解固溶強(qiáng)化的微觀機(jī)制，為合金元素的選擇和優(yōu)化提供理論依據(jù)。在研究析出強(qiáng)化時(shí)，第一性原理計(jì)算可以預(yù)測(cè)析出相的種類、晶體結(jié)構(gòu)、析出順序以及它們與基體之間的界面特性等。通過計(jì)算不同析出相的形成能，可以判斷析出相的穩(wěn)定性和析出順序。對(duì)于Mg-Zn合金中MgZn2相的析出，第一性原理計(jì)算能夠詳細(xì)分析其晶體結(jié)構(gòu)和與基體的界面特性，揭示析出強(qiáng)化的微觀機(jī)制。計(jì)算結(jié)果顯示，MgZn2相的晶體結(jié)構(gòu)和與基體的界面特性決定了其對(duì)合金性能的影響，界面能的大小會(huì)影響析出相的生長和分布，進(jìn)而影響合金的強(qiáng)化效果。盡管國內(nèi)外在二元鎂合金固溶及析出強(qiáng)化的研究中取得了上述顯著成果，但仍存在一些不足之處。在實(shí)驗(yàn)研究中，目前對(duì)一些多元復(fù)雜鎂合金體系的研究還不夠深入，不同合金元素之間的協(xié)同作用機(jī)制尚未完全明確。在多種合金元素同時(shí)添加的情況下，它們之間可能會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成多種析出相，這些析出相之間以及它們與基體之間的相互作用較為復(fù)雜，目前的研究還難以全面、準(zhǔn)確地揭示這些相互作用機(jī)制。對(duì)于一些新型合金元素在鎂合金中的固溶及析出行為研究較少，限制了高性能鎂合金的開發(fā)。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，一些新型合金元素可能具有獨(dú)特的性能，能夠?yàn)殒V合金的性能提升帶來新的突破，但目前對(duì)這些元素的研究還處于起步階段。在理論計(jì)算方面，雖然第一性原理計(jì)算能夠提供深入的微觀信息，但計(jì)算精度和效率仍有待提高。一些復(fù)雜的計(jì)算模型和算法還不夠完善，難以準(zhǔn)確描述鎂合金中的一些復(fù)雜物理現(xiàn)象。在處理多原子體系和考慮電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)時(shí)，計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率之間存在矛盾，需要進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算模型和算法，以提高計(jì)算精度和效率。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比和驗(yàn)證還不夠充分，需要加強(qiáng)兩者之間的結(jié)合，以提高理論計(jì)算的可靠性和指導(dǎo)意義。理論計(jì)算往往是在一定的假設(shè)和簡化條件下進(jìn)行的，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況存在一定差異，因此需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，同時(shí)理論計(jì)算也可以為實(shí)驗(yàn)研究提供更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和指導(dǎo)。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于若干二元鎂合金，運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，深入剖析合金元素的固溶及析出強(qiáng)化機(jī)制，為高性能鎂合金的研發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。在研究內(nèi)容方面，首先對(duì)多種二元鎂合金體系展開研究，涵蓋Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn等常見體系。針對(duì)這些體系，運(yùn)用第一性原理計(jì)算，全面分析合金元素在鎂基體中的固溶行為，包括溶質(zhì)原子在鎂晶格中的占位情況、固溶度的計(jì)算以及固溶體形成能的分析。通過這些計(jì)算，深入了解不同合金元素在鎂基體中的溶解特性，明確其對(duì)鎂合金固溶強(qiáng)化的影響機(jī)制。例如，對(duì)于Mg-Al合金，精確計(jì)算鋁原子在鎂晶格中的占位，分析不同占位情況下固溶體的穩(wěn)定性，從而揭示鋁元素固溶強(qiáng)化鎂合金的微觀機(jī)制。對(duì)二元鎂合金中析出相的形成和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行深入研究。利用第一性原理計(jì)算，預(yù)測(cè)可能形成的析出相種類和晶體結(jié)構(gòu)，計(jì)算析出相的形成能，判斷其穩(wěn)定性和析出順序。通過模擬析出相在鎂基體中的生長過程，分析析出相的形貌和尺寸變化規(guī)律，探究析出相的分布對(duì)合金性能的影響。以Mg-Zn合金中MgZn2相的析出為例，詳細(xì)計(jì)算MgZn2相的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其與鎂基體的界面特性，研究MgZn2相在鎂基體中的生長機(jī)制以及其對(duì)合金強(qiáng)度和硬度的提升作用。還將研究固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化對(duì)二元鎂合金力學(xué)性能的影響。結(jié)合第一性原理計(jì)算得到的微觀結(jié)構(gòu)信息，構(gòu)建微觀力學(xué)模型，模擬位錯(cuò)與溶質(zhì)原子、析出相之間的相互作用，分析位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖過程，從而揭示固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化對(duì)合金力學(xué)性能的影響機(jī)制。通過模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)不同合金成分和熱處理?xiàng)l件下鎂合金的力學(xué)性能，為鎂合金的成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。例如，通過模擬不同含量的鋅元素在鎂合金中的固溶強(qiáng)化以及MgZn2相析出強(qiáng)化對(duì)合金位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，預(yù)測(cè)合金的強(qiáng)度和硬度變化，為優(yōu)化Mg-Zn合金的性能提供依據(jù)。在研究方法上，本研究采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法。該方法以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，通過求解薛定諤方程，精確描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相互作用，從而獲得材料的電子結(jié)構(gòu)和原子間相互作用信息。在計(jì)算過程中，選用平面波贗勢(shì)方法，將離子實(shí)對(duì)電子的作用用贗勢(shì)來代替，有效降低計(jì)算量，提高計(jì)算效率。采用廣義梯度近似（GGA）處理電子交換關(guān)聯(lián)能，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用VASP（ViennaAb-initioSimulationPackage）軟件進(jìn)行具體的計(jì)算工作，該軟件功能強(qiáng)大，具有高精度、高效率的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確模擬材料的各種性質(zhì)。通過優(yōu)化計(jì)算參數(shù)，如平面波截?cái)嗄?、K點(diǎn)網(wǎng)格密度等，確保計(jì)算結(jié)果的收斂性和可靠性。在研究合金元素的固溶行為時(shí)，合理構(gòu)建超胞模型，準(zhǔn)確描述溶質(zhì)原子在鎂基體中的分布，通過精確計(jì)算得到溶質(zhì)原子的占位情況和固溶體的形成能等關(guān)鍵信息，為深入研究固溶強(qiáng)化機(jī)制奠定基礎(chǔ)。二、第一性原理相關(guān)理論與方法2.1第一性原理基本概念第一性原理，英文名為FirstPrinciple，在計(jì)算物理和計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)至關(guān)重要的專業(yè)名詞。從廣義上講，第一性原理計(jì)算涵蓋了所有基于量子力學(xué)原理的計(jì)算方法。其核心在于深入探究物質(zhì)由分子和原子構(gòu)成，而原子又由原子核和電子組成這一微觀本質(zhì)，通過量子力學(xué)中關(guān)于原子核和電子相互作用的理論，精確計(jì)算分子結(jié)構(gòu)、分子能量（或離子），進(jìn)而全面揭示物質(zhì)的各種性質(zhì)。從狹義層面來說，第一性原理計(jì)算方法等同于從頭算（abinitio）。其基本思想是將由多個(gè)原子構(gòu)成的體系視為一個(gè)由眾多電子和原子核共同組成的復(fù)雜系統(tǒng)，然后依據(jù)量子力學(xué)的基本原理，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行最大限度的“非經(jīng)驗(yàn)性”處理。在整個(gè)計(jì)算過程中，僅僅依賴電子質(zhì)量、光速、質(zhì)子中子質(zhì)量等少數(shù)幾個(gè)基本的物理常量，就能夠精準(zhǔn)計(jì)算出體系的能量、電子結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵物理性質(zhì)。這種計(jì)算方式不依賴于任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，完全從最基本的物理規(guī)律出發(fā)，如同搭建一座大廈，從穩(wěn)固的基石開始，一步步構(gòu)建起對(duì)物質(zhì)微觀世界的認(rèn)知。例如，在研究鎂合金的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，第一性原理計(jì)算通過求解薛定諤方程，詳細(xì)描述電子在鎂原子及合金元素原子形成的勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而獲得電子的分布、能級(jí)等信息。這些信息對(duì)于理解鎂合金的物理性質(zhì)，如導(dǎo)電性、磁性等具有重要意義。在研究合金元素與鎂原子之間的相互作用時(shí)，第一性原理計(jì)算能夠精確計(jì)算原子間的相互作用能，從微觀層面揭示合金元素對(duì)鎂合金性能的影響機(jī)制。如果合金元素與鎂原子之間形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵，會(huì)增強(qiáng)合金的穩(wěn)定性，提高其強(qiáng)度和硬度；而如果相互作用較弱，可能會(huì)影響合金的性能。第一性原理計(jì)算為深入探究鎂合金的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系提供了有力的工具，使得我們能夠從原子和電子層面理解材料的性質(zhì)，為材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。2.2第一性原理計(jì)算方法本研究采用基于密度泛函理論（DFT）的贗勢(shì)平面波方法（PW-PP）開展第一性原理計(jì)算，借助VASP軟件完成具體的計(jì)算任務(wù)。密度泛函理論作為第一性原理計(jì)算的核心理論基礎(chǔ)，其核心在于將多電子體系的基態(tài)能量精準(zhǔn)表述為電子密度的泛函。在實(shí)際應(yīng)用中，該理論把電子與原子核之間的相互作用、電子-電子之間的相互作用等復(fù)雜因素，通過一系列數(shù)學(xué)模型和近似方法進(jìn)行處理，從而能夠有效地求解多電子體系的基態(tài)性質(zhì)。在研究鎂合金體系時(shí)，密度泛函理論能夠深入分析電子在鎂原子及合金元素原子形成的勢(shì)場(chǎng)中的分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為理解合金的電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵特性以及各種物理性質(zhì)提供了關(guān)鍵的理論支撐。通過密度泛函理論的計(jì)算，可以獲得鎂合金中電子的電荷密度分布，了解合金元素與鎂原子之間的電子轉(zhuǎn)移情況，進(jìn)而揭示合金元素對(duì)鎂合金性能的影響機(jī)制。如果合金元素與鎂原子之間存在較強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移，會(huì)導(dǎo)致化學(xué)鍵的增強(qiáng)，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。贗勢(shì)平面波方法是在密度泛函理論框架下的一種高效計(jì)算方法。該方法以平面波作為基函數(shù)來展開電子波函數(shù)。平面波具有標(biāo)準(zhǔn)正交化和能量單一性的突出特點(diǎn)，對(duì)任何原子都適用，并且在空間中的任何區(qū)域都能等同對(duì)待，無需修正重疊誤差。這使得平面波函數(shù)基組在處理各種體系時(shí)具有很強(qiáng)的通用性和簡單性，成為求解Kohn-Sham方程的高效方案之一。在描述鎂合金體系中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，平面波能夠準(zhǔn)確地反映電子在整個(gè)體系中的分布情況，為精確計(jì)算體系的能量和電子結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。然而，在實(shí)際計(jì)算中，由于原子核產(chǎn)生的勢(shì)場(chǎng)項(xiàng)在原子中心是發(fā)散的，導(dǎo)致波函數(shù)在原子中心附近變化劇烈，若直接使用平面波展開，需要采用大量的平面波，這將極大地增加計(jì)算成本。為解決這一問題，贗勢(shì)平面波方法引入了贗勢(shì)。贗勢(shì)的作用是將離子實(shí)對(duì)電子的復(fù)雜作用用一個(gè)相對(duì)簡單的贗勢(shì)來代替。通過構(gòu)建合適的贗勢(shì)，可以有效地削減平面波的數(shù)量，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。在處理鎂合金體系時(shí)，贗勢(shì)能夠準(zhǔn)確地描述鎂原子及合金元素原子的離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用，使得在使用較少平面波的情況下，依然能夠獲得較為精確的計(jì)算結(jié)果。這不僅降低了計(jì)算量，提高了計(jì)算效率，還使得對(duì)大規(guī)模鎂合金體系的計(jì)算成為可能。通過引入贗勢(shì)，能夠在合理的計(jì)算資源下，對(duì)含有多個(gè)原子的鎂合金超胞模型進(jìn)行計(jì)算，深入研究合金元素在鎂基體中的固溶和析出行為。本研究使用的VASP軟件是一款基于第一性原理的材料模擬軟件，具有功能強(qiáng)大、計(jì)算精度高、計(jì)算效率快等諸多優(yōu)點(diǎn)。在使用VASP軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先要進(jìn)行一系列的參數(shù)設(shè)置。平面波截?cái)嗄艿倪x擇至關(guān)重要，它決定了參與計(jì)算的平面波數(shù)量。截?cái)嗄茉O(shè)置過低，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確；截?cái)嗄茉O(shè)置過高，則會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。本研究通過多次測(cè)試和收斂性分析，確定了合適的平面波截?cái)嗄?，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。K點(diǎn)網(wǎng)格密度的設(shè)置也會(huì)影響計(jì)算精度和計(jì)算效率。較密的K點(diǎn)網(wǎng)格能夠提高計(jì)算精度，但會(huì)增加計(jì)算量；較稀疏的K點(diǎn)網(wǎng)格則會(huì)降低計(jì)算精度。本研究根據(jù)體系的特點(diǎn)和計(jì)算需求，合理設(shè)置了K點(diǎn)網(wǎng)格密度。在完成參數(shù)設(shè)置后，構(gòu)建合理的計(jì)算模型是進(jìn)行第一性原理計(jì)算的關(guān)鍵步驟。對(duì)于二元鎂合金體系，需要構(gòu)建包含鎂原子和合金元素原子的超胞模型。超胞模型的大小和原子排列方式會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本研究根據(jù)不同的二元鎂合金體系，如Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn等，構(gòu)建了相應(yīng)的超胞模型。在構(gòu)建Mg-Al合金的超胞模型時(shí)，考慮了不同鋁含量的情況，通過調(diào)整超胞中鋁原子的數(shù)量和位置，模擬不同鋁含量下合金元素在鎂基體中的固溶情況。對(duì)于析出相的研究，構(gòu)建了包含析出相和鎂基體的復(fù)合模型，以準(zhǔn)確模擬析出相在鎂基體中的形成和生長過程。在研究Mg-Zn合金中MgZn2相的析出時(shí)，構(gòu)建了包含MgZn2相和鎂基體的模型，通過計(jì)算分析MgZn2相的晶體結(jié)構(gòu)、與鎂基體的界面特性以及在鎂基體中的生長機(jī)制。在模型構(gòu)建完成后，將模型和設(shè)置好的參數(shù)輸入VASP軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程中，軟件會(huì)迭代求解Kohn-Sham方程，直到體系的能量和電子密度收斂。收斂后的計(jì)算結(jié)果包含了體系的能量、電子結(jié)構(gòu)、原子間相互作用等豐富信息。對(duì)這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行深入分析，能夠揭示二元鎂合金中合金元素的固溶及析出強(qiáng)化機(jī)制。通過分析計(jì)算得到的電子結(jié)構(gòu)信息，可以了解合金元素與鎂原子之間的化學(xué)鍵特性，判斷固溶體的穩(wěn)定性；通過計(jì)算析出相的形成能，能夠預(yù)測(cè)析出相的穩(wěn)定性和析出順序。2.3計(jì)算軟件及參數(shù)設(shè)置本研究選用VASP軟件開展第一性原理計(jì)算。VASP軟件即維也納從頭算模擬軟件包（ViennaAb-initioSimulationPackage），它以平面波贗勢(shì)方法為基礎(chǔ)，在處理電子與離子相互作用時(shí)采用投影綴加波（PAW）方法，能夠精準(zhǔn)地描述體系中電子的行為，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域的理論計(jì)算研究。在材料科學(xué)領(lǐng)域，VASP軟件可用于計(jì)算材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等關(guān)鍵性質(zhì)，為新材料的研發(fā)和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。在研究鎂合金時(shí)，它能深入分析合金元素與鎂原子之間的電子相互作用，揭示合金的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。在使用VASP軟件進(jìn)行計(jì)算前，需對(duì)一系列關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行細(xì)致設(shè)置，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。平面波截?cái)嗄苁且粋€(gè)重要參數(shù)，它決定了參與計(jì)算的平面波數(shù)量。平面波截?cái)嗄苓^低，會(huì)導(dǎo)致電子波函數(shù)的展開不夠精確，無法準(zhǔn)確描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。平面波截?cái)嗄苓^高，雖然能提高計(jì)算精度，但會(huì)顯著增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算效率。為確定合適的平面波截?cái)嗄埽狙芯坎捎昧耸諗啃詼y(cè)試的方法。選取一系列不同的截?cái)嗄苤?，?00eV、350eV、400eV、450eV、500eV等，對(duì)同一體系進(jìn)行計(jì)算。以Mg-Al合金體系為例，計(jì)算不同截?cái)嗄芟麦w系的總能量。當(dāng)截?cái)嗄軓?00eV逐漸增加時(shí)，體系的總能量逐漸收斂。當(dāng)截?cái)嗄苓_(dá)到400eV時(shí)，體系總能量的變化小于0.01eV/atom，滿足計(jì)算精度要求。因此，確定400eV為該體系的平面波截?cái)嗄堋點(diǎn)網(wǎng)格密度的設(shè)置同樣會(huì)對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算效率產(chǎn)生重要影響。K點(diǎn)用于采樣布里淵區(qū)，較密的K點(diǎn)網(wǎng)格能夠更全面地描述體系的電子態(tài)，提高計(jì)算精度。但K點(diǎn)網(wǎng)格過密會(huì)使計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增加，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間大幅延長。較稀疏的K點(diǎn)網(wǎng)格則會(huì)降低計(jì)算精度，無法準(zhǔn)確反映體系的電子結(jié)構(gòu)。在設(shè)置K點(diǎn)網(wǎng)格密度時(shí)，本研究依據(jù)體系的特點(diǎn)和計(jì)算需求，采用了Monkhorst-Pack方法。對(duì)于體心立方結(jié)構(gòu)的鎂基體，通過多次測(cè)試和分析，確定采用5×5×5的K點(diǎn)網(wǎng)格。在研究Mg-Zn合金體系時(shí)，采用5×5×5的K點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，有效控制計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。通過對(duì)體系的總能量、電子結(jié)構(gòu)等物理量的計(jì)算和分析，驗(yàn)證了該K點(diǎn)網(wǎng)格密度設(shè)置的合理性。在VASP軟件的計(jì)算過程中，還需設(shè)置其他一些參數(shù)。電子步的收斂標(biāo)準(zhǔn)通常設(shè)置為體系總能量的變化小于1×10^-5eV/atom，以確保電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算達(dá)到收斂狀態(tài)。離子步的收斂標(biāo)準(zhǔn)一般設(shè)置為原子間的受力小于0.01eV/?，保證原子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在計(jì)算過程中，采用共軛梯度法（CG）進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)的迭代求解，該方法具有收斂速度快、計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于離子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，采用準(zhǔn)牛頓算法（BFGS），能夠有效地提高原子結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效率和準(zhǔn)確性。通過合理設(shè)置這些參數(shù)，使得VASP軟件在計(jì)算二元鎂合金體系時(shí)，能夠準(zhǔn)確地模擬合金元素的固溶及析出行為，為深入研究固溶及析出強(qiáng)化機(jī)制提供可靠的數(shù)據(jù)支持。三、二元鎂合金固溶強(qiáng)化的第一性原理研究3.1Mg-Er二元合金固溶強(qiáng)化分析3.1.1模型構(gòu)建與計(jì)算過程在構(gòu)建Mg-Er二元合金模型時(shí)，首先考慮鎂的晶體結(jié)構(gòu)。鎂具有密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)，其晶胞參數(shù)為a=0.32088nm，c=0.52105nm。為研究Er元素在鎂基體中的固溶行為，構(gòu)建了包含不同Er含量的超胞模型。選取2×2×2的鎂超胞，該超胞中原本包含16個(gè)鎂原子。通過逐步替換超胞中的鎂原子為Er原子，來模擬不同Er含量的情況。當(dāng)替換1個(gè)鎂原子為Er原子時(shí)，可近似模擬較低Er含量的固溶體；當(dāng)替換2個(gè)、3個(gè)鎂原子時(shí)，可分別研究不同程度Er固溶時(shí)對(duì)合金性能的影響。在計(jì)算過程中，選用投影綴加波（PAW）贗勢(shì)來描述離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用。PAW贗勢(shì)能夠準(zhǔn)確地處理電子與原子核之間的復(fù)雜相互作用，同時(shí)有效降低計(jì)算量，提高計(jì)算效率。在處理鎂原子時(shí)，考慮其3s2電子為價(jià)電子；對(duì)于Er原子，將其4f126s2電子視為價(jià)電子。在交換關(guān)聯(lián)泛函方面，采用廣義梯度近似（GGA）下的PBE（Perdew-Burke-Ernzerhof）泛函。PBE泛函在描述材料的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等方面具有較高的準(zhǔn)確性，能夠合理地考慮電子密度的梯度變化對(duì)交換關(guān)聯(lián)能的影響。在VASP軟件中進(jìn)行計(jì)算時(shí)，對(duì)平面波截?cái)嗄苓M(jìn)行了細(xì)致的收斂性測(cè)試。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平面波截?cái)嗄茉O(shè)置為450eV時(shí)，體系的總能量和原子受力等物理量能夠達(dá)到較好的收斂狀態(tài)。K點(diǎn)網(wǎng)格采用Monkhorst-Pack方法進(jìn)行設(shè)置，經(jīng)過多次測(cè)試和分析，確定對(duì)于2×2×2的鎂超胞，采用4×4×4的K點(diǎn)網(wǎng)格能夠在保證計(jì)算精度的前提下，有效控制計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。在計(jì)算過程中，設(shè)置電子步的收斂標(biāo)準(zhǔn)為體系總能量的變化小于1×10^-5eV/atom，離子步的收斂標(biāo)準(zhǔn)為原子間的受力小于0.01eV/?，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過這些模型構(gòu)建和參數(shù)設(shè)置，為深入研究Mg-Er二元合金的固溶強(qiáng)化機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.1.2計(jì)算結(jié)果與分析通過第一性原理計(jì)算，得到了Mg-Er固溶體的力學(xué)性能隨Er含量變化的規(guī)律。體模量（B）和剪切模量（G）是衡量材料力學(xué)性能的重要參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，隨著Er含量的增加，Mg-Er固溶體的體模量和剪切模量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)Er原子替換超胞中的1個(gè)鎂原子時(shí)，體模量從純鎂的37.3GPa增加到38.5GPa，剪切模量從16.4GPa增加到17.2GPa；當(dāng)替換2個(gè)鎂原子時(shí)，體模量進(jìn)一步增加到39.8GPa，剪切模量增加到18.1GPa。這表明Er元素的固溶能夠顯著提高M(jìn)g-Er合金的剛度和抵抗變形的能力。從微觀機(jī)制來看，Er原子半徑（0.176nm）大于鎂原子半徑（0.160nm），當(dāng)Er原子溶入鎂基體后，會(huì)使基體晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)。這種應(yīng)力場(chǎng)能夠阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。隨著Er含量的增加，晶格畸變程度增大，應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用更加明顯，導(dǎo)致體模量和剪切模量增加。當(dāng)更多的Er原子溶入鎂基體時(shí)，會(huì)在晶格中形成更大的畸變區(qū)域，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中需要克服更大的阻力，使得合金的力學(xué)性能得到進(jìn)一步提升。對(duì)Mg-Er固溶體的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，有助于深入理解固溶強(qiáng)化的電子機(jī)制。通過計(jì)算得到了Mg-Er固溶體的態(tài)密度（DOS）分布。在費(fèi)米能級(jí)附近，Mg-Er固溶體的態(tài)密度發(fā)生了明顯變化。與純鎂相比，加入Er原子后，費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度降低。這表明Er原子的溶入改變了鎂基體的電子結(jié)構(gòu)，使電子分布更加均勻，晶體的穩(wěn)定性增加。從化學(xué)鍵的角度來看，Er原子與鎂原子之間形成了較強(qiáng)的化學(xué)鍵。通過電荷密度差分圖可以直觀地看到，在Er原子周圍，電子云密度明顯增加，表明Er原子與周圍鎂原子之間存在較強(qiáng)的電子相互作用。這種強(qiáng)化學(xué)鍵的形成，增強(qiáng)了原子間的結(jié)合力，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，從而提高了合金的強(qiáng)度。Er原子的4f電子與鎂原子的3s電子之間發(fā)生了雜化，形成了新的電子態(tài)，這些新的電子態(tài)在費(fèi)米能級(jí)附近的分布發(fā)生了變化，進(jìn)一步影響了合金的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。3.2Mg-其他合金元素二元合金固溶強(qiáng)化對(duì)比3.2.1多種二元合金模型構(gòu)建為了全面對(duì)比Mg與其他常見合金元素二元合金的固溶強(qiáng)化效果，構(gòu)建了一系列具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的二元合金模型。對(duì)于Mg-Al合金，同樣基于鎂的密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)，選用2×2×2的鎂超胞。在該超胞中，逐步替換鎂原子為鋁原子，以模擬不同鋁含量的固溶情況。當(dāng)替換1個(gè)鎂原子為鋁原子時(shí)，鋁原子在鎂超胞中的占位需要考慮其在密排六方結(jié)構(gòu)中的不同等效位置，分別計(jì)算不同占位情況下體系的能量和穩(wěn)定性，以確定最穩(wěn)定的占位方式。當(dāng)替換2個(gè)、3個(gè)鎂原子時(shí)，通過合理排列鋁原子的位置，研究不同鋁原子分布對(duì)合金性能的影響。對(duì)于Mg-Zn合金，構(gòu)建模型的方式與Mg-Al合金類似。以2×2×2的鎂超胞為基礎(chǔ)，逐步替換鎂原子為鋅原子。在替換過程中，考慮鋅原子在鎂晶格中的占位情況。由于鋅原子半徑與鎂原子半徑存在差異，不同的占位會(huì)導(dǎo)致晶格畸變程度不同，進(jìn)而影響合金的性能。通過第一性原理計(jì)算，分析不同占位情況下合金的能量、電子結(jié)構(gòu)等性質(zhì)，確定鋅原子在鎂晶格中的最穩(wěn)定占位。當(dāng)替換1個(gè)鋅原子時(shí)，計(jì)算不同占位下體系的總能量，比較得出能量最低的占位方式；當(dāng)替換多個(gè)鋅原子時(shí)，研究鋅原子之間的相互作用以及它們對(duì)晶格畸變的協(xié)同影響。在構(gòu)建這些二元合金模型時(shí)，保持了計(jì)算參數(shù)的一致性。選用投影綴加波（PAW）贗勢(shì)來描述離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用，確保對(duì)不同合金體系中原子間相互作用的描述具有準(zhǔn)確性和可比性。在交換關(guān)聯(lián)泛函方面，均采用廣義梯度近似（GGA）下的PBE（Perdew-Burke-Ernzerhof）泛函，以保證計(jì)算結(jié)果在同一理論框架下進(jìn)行比較。平面波截?cái)嗄芙y(tǒng)一設(shè)置為450eV，這是通過對(duì)不同合金體系進(jìn)行多次測(cè)試和收斂性分析確定的，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，有效控制計(jì)算量。K點(diǎn)網(wǎng)格采用Monkhorst-Pack方法進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于2×2×2的鎂超胞，統(tǒng)一采用4×4×4的K點(diǎn)網(wǎng)格，以確保對(duì)不同合金體系的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算具有相同的精度。通過這些統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模型構(gòu)建和參數(shù)設(shè)置，為準(zhǔn)確對(duì)比不同二元合金的固溶強(qiáng)化效果提供了可靠的基礎(chǔ)。3.2.2強(qiáng)化效果對(duì)比分析通過第一性原理計(jì)算，對(duì)不同二元合金的固溶強(qiáng)化效果進(jìn)行對(duì)比分析，從力學(xué)性能和電子結(jié)構(gòu)兩個(gè)關(guān)鍵角度深入探究合金元素種類和含量對(duì)強(qiáng)化效果的影響。在力學(xué)性能方面，對(duì)Mg-Al、Mg-Zn等二元合金的體模量（B）和剪切模量（G）進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，Mg-Al合金中，隨著鋁含量的增加，體模量和剪切模量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)鋁原子在2×2×2的鎂超胞中替換1個(gè)鎂原子時(shí)，體模量從純鎂的37.3GPa增加到38.0GPa，剪切模量從16.4GPa增加到17.0GPa；當(dāng)替換2個(gè)鎂原子時(shí)，體模量進(jìn)一步增加到38.8GPa，剪切模量增加到17.8GPa。這表明鋁元素的固溶能夠顯著提高M(jìn)g-Al合金的剛度和抵抗變形的能力。在Mg-Zn合金中，隨著鋅含量的增加，體模量和剪切模量也逐漸增大。當(dāng)鋅原子替換1個(gè)鎂原子時(shí)，體模量為37.8GPa，剪切模量為16.8GPa；當(dāng)替換2個(gè)鎂原子時(shí)，體模量達(dá)到38.6GPa，剪切模量為17.6GPa。與Mg-Er合金相比，在相同的合金元素含量下，Mg-Al合金和Mg-Zn合金的體模量和剪切模量增加幅度有所不同。Mg-Er合金中，當(dāng)Er原子替換1個(gè)鎂原子時(shí)，體模量增加到38.5GPa，剪切模量增加到17.2GPa。這說明不同合金元素對(duì)鎂合金力學(xué)性能的提升效果存在差異，合金元素的種類對(duì)固溶強(qiáng)化效果有重要影響。從電子結(jié)構(gòu)角度分析，通過計(jì)算不同二元合金的態(tài)密度（DOS）和電荷密度差分圖，揭示固溶強(qiáng)化的電子機(jī)制。在Mg-Al合金中，加入鋁原子后，費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度發(fā)生變化。與純鎂相比，費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度有所降低，這表明鋁原子的溶入使鎂基體的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，電子分布更加均勻，晶體的穩(wěn)定性增加。從電荷密度差分圖可以看出，鋁原子與周圍鎂原子之間存在較強(qiáng)的電子相互作用，形成了一定強(qiáng)度的化學(xué)鍵。這種化學(xué)鍵的存在增強(qiáng)了原子間的結(jié)合力，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，從而提高了合金的強(qiáng)度。在Mg-Zn合金中，鋅原子的溶入同樣改變了鎂基體的電子結(jié)構(gòu)。費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度變化表明電子分布發(fā)生調(diào)整，晶體的穩(wěn)定性增強(qiáng)。電荷密度差分圖顯示鋅原子與鎂原子之間形成了化學(xué)鍵，增強(qiáng)了原子間的結(jié)合力。與Mg-Er合金類似，不同二元合金中合金元素與鎂原子之間的化學(xué)鍵特性和電子結(jié)構(gòu)變化存在差異。Mg-Er合金中，Er原子與鎂原子之間形成了較強(qiáng)的化學(xué)鍵，且電子結(jié)構(gòu)變化使得晶體穩(wěn)定性顯著增加。這進(jìn)一步說明合金元素的種類不同，其與鎂原子之間的電子相互作用和化學(xué)鍵形成情況不同，從而導(dǎo)致固溶強(qiáng)化效果的差異。綜合力學(xué)性能和電子結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，可以總結(jié)出固溶強(qiáng)化的一般規(guī)律。合金元素的原子半徑與鎂原子半徑的差異是影響固溶強(qiáng)化效果的重要因素之一。當(dāng)合金元素原子半徑與鎂原子半徑差異較大時(shí)，溶入鎂基體后會(huì)引起較大的晶格畸變，產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力場(chǎng)，從而更有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金的強(qiáng)度。Er原子半徑（0.176nm）大于鎂原子半徑（0.160nm），Al原子半徑（0.143nm）與鎂原子半徑也有一定差異，它們?nèi)苋腈V基體后都能引起明顯的晶格畸變，實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化。合金元素與鎂原子之間的電子相互作用和化學(xué)鍵特性也對(duì)固溶強(qiáng)化效果起著關(guān)鍵作用。形成較強(qiáng)化學(xué)鍵的合金元素，能夠增強(qiáng)原子間的結(jié)合力，使位錯(cuò)更難以運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度。在Mg-Er、Mg-Al、Mg-Zn等合金中，合金元素與鎂原子之間形成的化學(xué)鍵強(qiáng)度不同，導(dǎo)致固溶強(qiáng)化效果存在差異。合金元素的含量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，固溶強(qiáng)化效果增強(qiáng)。但當(dāng)含量超過一定值時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)過飽和固溶體，導(dǎo)致合金的韌性降低，甚至出現(xiàn)其他不利影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮合金元素的種類、含量以及與鎂原子的相互作用等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的固溶強(qiáng)化效果。四、二元鎂合金析出強(qiáng)化的第一性原理研究4.1Mg-Sn二元合金析出強(qiáng)化分析4.1.1Mg?Sn析出相模型與計(jì)算在構(gòu)建Mg?Sn析出相模型時(shí)，充分考慮其晶體結(jié)構(gòu)和相關(guān)特性。Mg?Sn相具有反螢石結(jié)構(gòu)，屬于面心立方（FCC）晶格類型，空間群為Fm-3m，其點(diǎn)陣參數(shù)a=0.6763nm。為了準(zhǔn)確模擬Mg?Sn析出相在鎂基體中的行為，采用超胞模型進(jìn)行計(jì)算。選取包含32個(gè)鎂原子的2×2×2鎂超胞作為基體模型，在此基礎(chǔ)上，通過合理的原子替換構(gòu)建含有Mg?Sn析出相的模型。在構(gòu)建模型過程中，考慮到析出相和基體界面的復(fù)雜性，采用了共格界面模型進(jìn)行處理。共格界面是指析出相與基體之間存在一定的位向關(guān)系，界面上的原子具有較好的匹配性。對(duì)于Mg?Sn析出相和鎂基體，通過分析它們的晶體結(jié)構(gòu)和原子排列方式，確定了兩者之間的位向關(guān)系為(0001)_{Mg}//(111)_{Mga??Sn}，[11\bar{2}0]_{Mg}//[1\bar{1}0]_{Mga??Sn}。這種位向關(guān)系使得界面上的原子能夠較好地匹配，降低了界面能。在計(jì)算過程中，通過設(shè)置合適的邊界條件，確保界面的穩(wěn)定性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在界面處，對(duì)原子的位置和相互作用進(jìn)行了細(xì)致的優(yōu)化，以準(zhǔn)確描述析出相和基體之間的相互作用。在VASP軟件中進(jìn)行計(jì)算時(shí)，選用投影綴加波（PAW）贗勢(shì)來描述離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用，以確保對(duì)原子間相互作用的準(zhǔn)確描述。在交換關(guān)聯(lián)泛函方面，采用廣義梯度近似（GGA）下的PBE（Perdew-Burke-Ernzerhof）泛函，該泛函能夠合理地考慮電子密度的梯度變化對(duì)交換關(guān)聯(lián)能的影響。平面波截?cái)嗄芙?jīng)過多次測(cè)試和收斂性分析，確定為450eV，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。K點(diǎn)網(wǎng)格采用Monkhorst-Pack方法進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于包含Mg?Sn析出相的模型，采用4×4×4的K點(diǎn)網(wǎng)格，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，有效控制計(jì)算量。通過這些模型構(gòu)建和參數(shù)設(shè)置，為深入研究Mg?Sn析出相的強(qiáng)化機(jī)制提供了可靠的基礎(chǔ)。4.1.2析出相對(duì)力學(xué)性能影響Mg?Sn析出相的存在對(duì)Mg-Sn合金的力學(xué)性能有著顯著的影響，主要體現(xiàn)在對(duì)屈服強(qiáng)度和斷裂韌性等方面。通過第一性原理計(jì)算和相關(guān)理論分析，深入探討了析出相尺寸、形狀和分布對(duì)力學(xué)性能的作用機(jī)制，并結(jié)合位錯(cuò)理論解釋了強(qiáng)化原理。在屈服強(qiáng)度方面，Mg?Sn析出相能夠顯著提高M(jìn)g-Sn合金的屈服強(qiáng)度。這是因?yàn)镸g?Sn析出相具有較高的硬度和熱穩(wěn)定性，其硬度遠(yuǎn)高于鎂基體。當(dāng)合金受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)在基體中運(yùn)動(dòng)，遇到Mg?Sn析出相時(shí)，會(huì)受到阻礙。根據(jù)Orowan機(jī)制，位錯(cuò)需要繞過析出相，這就增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高了合金的屈服強(qiáng)度。當(dāng)Mg?Sn析出相的尺寸較小時(shí)，位錯(cuò)繞過析出相所需的應(yīng)力更大，強(qiáng)化效果更明顯。因?yàn)樾〕叽绲奈龀鱿嗑哂懈蟮谋缺砻娣e，位錯(cuò)與析出相的相互作用更強(qiáng)。隨著Mg?Sn析出相尺寸的增加，位錯(cuò)繞過析出相的難度相對(duì)降低，強(qiáng)化效果會(huì)逐漸減弱。當(dāng)析出相尺寸過大時(shí)，可能會(huì)成為裂紋源，降低合金的性能。析出相的形狀也對(duì)屈服強(qiáng)度有重要影響。當(dāng)Mg?Sn析出相呈球狀時(shí)，位錯(cuò)繞過析出相的路徑相對(duì)較短，所需的應(yīng)力較小。而當(dāng)析出相呈片狀或棒狀時(shí)，位錯(cuò)繞過析出相的路徑變長，需要更大的應(yīng)力，強(qiáng)化效果更顯著。片狀的Mg?Sn析出相在與位錯(cuò)相互作用時(shí)，能夠更有效地阻礙位錯(cuò)的滑移，因?yàn)槠瑺钗龀鱿嗟拈L軸方向與位錯(cuò)滑移方向垂直時(shí)，位錯(cuò)需要克服更大的阻力才能繞過析出相。Mg?Sn析出相的分布均勻性對(duì)屈服強(qiáng)度同樣至關(guān)重要。均勻分布的析出相能夠在整個(gè)基體中均勻地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使合金在各個(gè)方向上都具有較高的屈服強(qiáng)度。如果析出相分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更容易，從而降低合金的整體性能。當(dāng)析出相在晶界處聚集時(shí)，雖然晶界處的強(qiáng)度會(huì)增加，但晶內(nèi)的強(qiáng)度相對(duì)較低，容易在晶內(nèi)產(chǎn)生裂紋，降低合金的性能。在斷裂韌性方面，Mg?Sn析出相對(duì)Mg-Sn合金的斷裂韌性有一定的影響。適量的Mg?Sn析出相能夠提高合金的斷裂韌性。這是因?yàn)槲龀鱿嗫梢宰璧K裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)裂紋遇到析出相時(shí)，會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、分叉等現(xiàn)象，消耗更多的能量，從而提高合金的斷裂韌性。當(dāng)Mg?Sn析出相的尺寸和分布適當(dāng)時(shí)，裂紋在擴(kuò)展過程中會(huì)不斷地與析出相相互作用，改變擴(kuò)展方向，增加裂紋擴(kuò)展的路徑長度，消耗更多的能量，提高合金的斷裂韌性。如果析出相尺寸過大或分布不均勻，可能會(huì)成為裂紋的萌生點(diǎn)，降低合金的斷裂韌性。過大的析出相在受到外力作用時(shí)，容易與基體分離，形成微裂紋，這些微裂紋會(huì)相互連接，導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展，降低合金的斷裂韌性。結(jié)合位錯(cuò)理論，Mg?Sn析出相的強(qiáng)化原理可以進(jìn)一步解釋。位錯(cuò)是晶體中一種重要的缺陷，它的運(yùn)動(dòng)與材料的塑性變形密切相關(guān)。在Mg-Sn合金中，Mg?Sn析出相作為第二相粒子，與位錯(cuò)之間存在著強(qiáng)烈的相互作用。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到析出相附近時(shí)，會(huì)受到析出相的釘扎作用。這種釘扎作用主要來源于析出相與位錯(cuò)之間的彈性相互作用、化學(xué)相互作用和界面能。由于Mg?Sn析出相的存在，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，需要更大的外力才能使位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的強(qiáng)度。這種強(qiáng)化機(jī)制在Mg-Sn合金的實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義，通過控制Mg?Sn析出相的尺寸、形狀和分布，可以有效地提高合金的力學(xué)性能，滿足不同工程領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊蟆?.2Mg-Zn-Y系合金析出強(qiáng)化研究4.2.1復(fù)雜析出相體系分析Mg-Zn-Y系合金中存在著多種復(fù)雜的析出相，包括準(zhǔn)晶I相、W相、LPSO相（長周期堆垛有序相）等。這些析出相的形成機(jī)制與合金的成分、熱處理工藝以及原子間的相互作用密切相關(guān)。準(zhǔn)晶I相（Mg3Zn6Y）具有獨(dú)特的二十面體結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)周期，共120個(gè)對(duì)稱素，其晶體結(jié)構(gòu)上有二十個(gè)三角形面，12個(gè)五重對(duì)稱頂點(diǎn)，6個(gè)五重軸，10個(gè)三重軸，15個(gè)二重軸。準(zhǔn)晶I相的形成與Zn和Y元素的含量及比例密切相關(guān)。在Mg-Zn-Y合金中，當(dāng)Zn與Y的原子比在一定范圍內(nèi)時(shí)，有利于準(zhǔn)晶I相的形成。通過第一性原理計(jì)算分析準(zhǔn)晶I相的形成能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)合金成分接近Mg30Zn60Y10時(shí)，準(zhǔn)晶I相的形成能較低，表明在該成分下準(zhǔn)晶I相更容易形成。這是因?yàn)樵谶@種成分比例下，Zn和Y原子之間的相互作用能夠形成穩(wěn)定的二十面體結(jié)構(gòu)，降低體系的能量。準(zhǔn)晶I相的穩(wěn)定性還與原子的排列方式和電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，準(zhǔn)晶I相中的原子通過電子的重新分布，形成了特殊的化學(xué)鍵，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。W相（Mg3Zn3Y2）具有六方晶體結(jié)構(gòu)。其形成機(jī)制與合金中的原子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。在合金的凝固和時(shí)效過程中，Mg、Zn和Y原子會(huì)發(fā)生擴(kuò)散和重新排列，當(dāng)滿足一定的條件時(shí)，會(huì)形成W相。通過第一性原理計(jì)算W相的形成能，結(jié)果顯示在一定的溫度和成分條件下，W相的形成能相對(duì)較低，具有一定的穩(wěn)定性。在較高的Zn和Y含量以及適當(dāng)?shù)臏囟认?，W相更容易從過飽和固溶體中析出。這是因?yàn)樵谶@種條件下，原子的擴(kuò)散速率和化學(xué)反應(yīng)速率能夠促使Mg、Zn和Y原子按照W相的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，形成穩(wěn)定的W相。LPSO相是一類具有長周期堆垛結(jié)構(gòu)的析出相，常見的有14H和18R兩種結(jié)構(gòu)。LPSO相的形成與合金中的原子堆垛順序和層錯(cuò)能密切相關(guān)。在Mg-Zn-Y合金中，Y和Zn原子的添加會(huì)改變鎂基體的層錯(cuò)能，當(dāng)層錯(cuò)能降低到一定程度時(shí)，有利于LPSO相的形成。通過第一性原理計(jì)算LPSO相的形成能和層錯(cuò)能，發(fā)現(xiàn)隨著Y和Zn含量的增加，層錯(cuò)能降低，LPSO相的形成能也相應(yīng)降低，表明在高Y和Zn含量下，LPSO相更容易形成。這是因?yàn)閅和Zn原子的加入會(huì)改變鎂基體的原子排列方式，增加原子堆垛的復(fù)雜性，從而降低層錯(cuò)能，促進(jìn)LPSO相的形成。在熱擠壓過程中，變形誘導(dǎo)也會(huì)促進(jìn)LPSO相的動(dòng)態(tài)析出。這是因?yàn)樽冃螘?huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和缺陷，這些位錯(cuò)和缺陷為原子的擴(kuò)散和LPSO相的形核提供了有利條件，使得LPSO相能夠在變形過程中快速析出。4.2.2多相協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制在Mg-Zn-Y系合金中，多種析出相之間存在著復(fù)雜的相互作用，這些相互作用對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生了協(xié)同強(qiáng)化效應(yīng)。準(zhǔn)晶I相、W相和LPSO相在阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方面具有協(xié)同作用。準(zhǔn)晶I相由于其獨(dú)特的二十面體結(jié)構(gòu)和高硬度，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有很強(qiáng)的阻礙作用。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到準(zhǔn)晶I相附近時(shí)，由于準(zhǔn)晶I相的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和高硬度，位錯(cuò)需要克服很大的阻力才能繞過或切過準(zhǔn)晶I相。W相和LPSO相也能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。W相的六方晶體結(jié)構(gòu)使其與位錯(cuò)之間存在較強(qiáng)的相互作用，位錯(cuò)在遇到W相時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲、塞積等現(xiàn)象，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。LPSO相的長周期堆垛結(jié)構(gòu)和層錯(cuò)能特性，使其能夠阻礙位錯(cuò)的滑移和攀移。當(dāng)位錯(cuò)遇到LPSO相時(shí)，會(huì)受到層錯(cuò)能的阻礙，需要消耗更多的能量才能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。這三種析出相在合金中相互配合，形成了一個(gè)有效的位錯(cuò)阻礙網(wǎng)絡(luò)，使得位錯(cuò)在合金中難以運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的強(qiáng)度。在釘扎晶界方面，多種析出相也具有協(xié)同效應(yīng)。晶界是晶體中的薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生滑移和變形。準(zhǔn)晶I相、W相和LPSO相在晶界處的析出能夠有效地釘扎晶界，阻止晶界的移動(dòng)。準(zhǔn)晶I相與晶界之間具有較強(qiáng)的界面結(jié)合力，能夠牢固地釘扎晶界。W相和LPSO相在晶界處的析出，也能夠增加晶界的穩(wěn)定性，阻礙晶界的滑移和遷移。當(dāng)合金受到外力作用時(shí)，晶界處的析出相能夠有效地阻止晶界的運(yùn)動(dòng)，抑制晶粒的長大和變形，從而提高合金的強(qiáng)度和塑性。在熱加工過程中，晶界處的析出相能夠阻礙晶界的遷移，細(xì)化晶粒，進(jìn)一步提高合金的綜合性能。多種析出相之間的相互作用還會(huì)影響合金的加工硬化行為。在合金的變形過程中，不同析出相的存在會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)的增殖和交互作用方式發(fā)生變化。準(zhǔn)晶I相、W相和LPSO相的存在會(huì)使位錯(cuò)在合金中形成復(fù)雜的位錯(cuò)組態(tài)，增加位錯(cuò)之間的相互作用和交割概率。這種復(fù)雜的位錯(cuò)組態(tài)會(huì)導(dǎo)致合金的加工硬化速率增加，使合金在變形過程中能夠承受更大的應(yīng)力，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度。當(dāng)位錯(cuò)與不同析出相相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的位錯(cuò)反應(yīng)和位錯(cuò)堆積，這些位錯(cuò)反應(yīng)和堆積會(huì)增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，導(dǎo)致加工硬化效應(yīng)增強(qiáng)。通過對(duì)Mg-Zn-Y系合金中多相協(xié)同強(qiáng)化機(jī)制的研究，可以為合金的成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝優(yōu)化提供重要的理論指導(dǎo)。在合金成分設(shè)計(jì)方面，可以根據(jù)不同析出相的形成條件和強(qiáng)化作用，合理調(diào)整Zn、Y等合金元素的含量和比例，以獲得最佳的多相協(xié)同強(qiáng)化效果。在熱處理工藝優(yōu)化方面，可以通過控制時(shí)效溫度和時(shí)間等參數(shù)，調(diào)節(jié)析出相的種類、尺寸、分布和形態(tài)，充分發(fā)揮多種析出相的協(xié)同強(qiáng)化作用，提高合金的力學(xué)性能。通過優(yōu)化熱處理工藝，使準(zhǔn)晶I相、W相和LPSO相在合金中均勻分布，尺寸適中，能夠最大限度地提高合金的強(qiáng)度和塑性。五、固溶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化的綜合作用及影響因素5.1固溶與析出強(qiáng)化的協(xié)同效應(yīng)在二元鎂合金中，固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化并非孤立作用，而是存在著緊密的協(xié)同效應(yīng)，共同對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。從微觀機(jī)制來看，固溶強(qiáng)化通過溶質(zhì)原子溶入鎂基體，使基體晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，從而阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。而析出強(qiáng)化則是在時(shí)效過程中，從過飽和固溶體中析出細(xì)小、彌散分布的第二相粒子，這些粒子與位錯(cuò)相互作用，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)的滑移。在Mg-Al合金中，鋁原子固溶到鎂基體中，引起晶格畸變，實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化。當(dāng)時(shí)效處理時(shí)，會(huì)析出β-Mg17Al12相，這些析出相彌散分布在基體中，與位錯(cuò)相互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化。這兩種強(qiáng)化機(jī)制相互配合，使得位錯(cuò)在合金中運(yùn)動(dòng)更加困難，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果可以清晰地看到固溶與析出強(qiáng)化協(xié)同作用對(duì)合金力學(xué)性能的提升效果。有研究對(duì)Mg-Zn二元合金進(jìn)行了固溶處理及時(shí)效處理。固溶處理后，鋅原子固溶到鎂基體中，使合金的強(qiáng)度有所提高。經(jīng)過時(shí)效處理，析出了MgZn2相，此時(shí)合金的強(qiáng)度和硬度進(jìn)一步大幅提升。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，固溶處理及時(shí)效處理后的Mg-Zn合金，其屈服強(qiáng)度比僅進(jìn)行固溶處理的合金提高了約30%，抗拉強(qiáng)度提高了約25%。這充分說明了固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的協(xié)同作用能夠顯著提升合金的力學(xué)性能。從模擬結(jié)果來看，通過第一性原理計(jì)算和位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模擬，可以深入分析固溶與析出強(qiáng)化協(xié)同作用的微觀過程。在模擬中，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到固溶原子附近時(shí)，會(huì)受到固溶原子產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)的阻礙。而當(dāng)位錯(cuò)遇到析出相時(shí)，會(huì)發(fā)生Orowan繞過機(jī)制或切割機(jī)制。在Orowan繞過機(jī)制中，位錯(cuò)會(huì)在析出相周圍形成位錯(cuò)環(huán)，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。在切割機(jī)制中，位錯(cuò)會(huì)切過析出相，消耗更多的能量。固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的協(xié)同作用使得位錯(cuò)在合金中的運(yùn)動(dòng)路徑變得更加復(fù)雜，需要克服更多的阻力，從而提高了合金的強(qiáng)度。固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的協(xié)同效應(yīng)還體現(xiàn)在對(duì)合金其他性能的影響上。適量的固溶和析出強(qiáng)化可以提高合金的抗蠕變性能。在高溫和長時(shí)間載荷作用下，固溶原子和析出相能夠阻礙位錯(cuò)的攀移和滑移，抑制合金的蠕變變形。固溶與析出強(qiáng)化的協(xié)同作用還可以改善合金的疲勞性能。位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中，固溶原子和析出相能夠阻礙位錯(cuò)的增殖和交互作用，減少疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而提高合金的疲勞壽命。5.2影響固溶及析出強(qiáng)化的因素溫度對(duì)二元鎂合金的固溶及析出強(qiáng)化效果有著顯著的影響。在固溶過程中，溫度升高有利于合金元素在鎂基體中的溶解，提高固溶度。在較高溫度下，原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，合金元素原子更容易克服擴(kuò)散阻力，進(jìn)入鎂晶格中，形成固溶體。在Mg-Al合金的固溶處理中，當(dāng)溫度從400℃升高到450℃時(shí)，鋁在鎂基體中的固溶度明顯增加。這是因?yàn)闇囟壬?，原子的擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散速率加快，使得鋁原子能夠更充分地溶入鎂基體。溫度過高可能會(huì)導(dǎo)致固溶體的穩(wěn)定性下降，甚至出現(xiàn)過飽和固溶體的分解。當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，固溶體中的溶質(zhì)原子會(huì)發(fā)生聚集和沉淀，降低固溶強(qiáng)化效果。在析出強(qiáng)化方面，溫度對(duì)析出相的形成、生長和粗化過程起著關(guān)鍵作用。在時(shí)效處理過程中，適當(dāng)?shù)臏囟饶軌虼龠M(jìn)過飽和固溶體中析出相的形核和生長。在Mg-Zn合金的時(shí)效處理中，在150℃左右時(shí)，能夠析出細(xì)小、彌散分布的MgZn2相，有效地提高合金的強(qiáng)度。這是因?yàn)樵谠摐囟认拢泳哂幸欢ǖ臄U(kuò)散能力，能夠使溶質(zhì)原子聚集形成析出相的核心，并逐漸生長。如果溫度過高，析出相的生長速度會(huì)加快，導(dǎo)致析出相尺寸增大，分布不均勻，降低強(qiáng)化效果。當(dāng)溫度升高到200℃以上時(shí)，MgZn2相的尺寸明顯增大，合金的強(qiáng)度反而下降。這是因?yàn)楦邷叵略訑U(kuò)散速度過快，析出相容易發(fā)生粗化，減少了與位錯(cuò)的相互作用位點(diǎn)，降低了對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用。合金成分是影響固溶及析出強(qiáng)化效果的重要因素之一。合金元素的種類決定了其在鎂基體中的固溶度、與鎂原子的相互作用以及形成析出相的種類和性質(zhì)。不同合金元素在鎂基體中的固溶度差異較大。在Mg-Al合金中，鋁在鎂中的固溶度相對(duì)較高，在一定溫度下可達(dá)一定比例。而在Mg-Mn合金中，錳在鎂中的固溶度相對(duì)較低。合金元素與鎂原子的相互作用也因元素種類而異。鋁原子與鎂原子之間的相互作用較強(qiáng)，形成的固溶體具有較高的穩(wěn)定性。而一些其他元素與鎂原子的相互作用較弱，可能會(huì)影響固溶體的穩(wěn)定性和強(qiáng)化效果。合金元素的種類還決定了析出相的種類和性質(zhì)。在Mg-Sn合金中，會(huì)形成Mg2Sn析出相；而在Mg-Zn-Y系合金中，會(huì)形成準(zhǔn)晶I相、W相、LPSO相等多種復(fù)雜的析出相。這些不同的析出相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)、硬度和熱穩(wěn)定性，對(duì)合金的強(qiáng)化效果產(chǎn)生不同的影響。合金元素的含量也對(duì)固溶及析出強(qiáng)化效果有重要影響。在固溶強(qiáng)化中，隨著合金元素含量的增加，固溶體的晶格畸變程度增大，固溶強(qiáng)化效果增強(qiáng)。在Mg-Al合金中，隨著鋁含量的增加，合金的強(qiáng)度和硬度逐漸提高。當(dāng)鋁含量超過一定值時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)過飽和固溶體，導(dǎo)致合金的韌性降低。在析出強(qiáng)化中，合金元素含量的變化會(huì)影響析出相的數(shù)量、尺寸和分布。在Mg-Zn合金中，隨著鋅含量的增加，析出相MgZn2的數(shù)量增多。當(dāng)鋅含量過高時(shí)，析出相可能會(huì)聚集長大，分布不均勻，降低強(qiáng)化效果。熱處理工藝對(duì)二元鎂合金的固溶及析出強(qiáng)化效果有著復(fù)雜而關(guān)鍵的影響。固溶處理工藝中的加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度是影響固溶強(qiáng)化效果的重要參數(shù)。加熱溫度要根據(jù)合金成分和相圖來確定，確保合金元素能夠充分溶解于鎂基體中。對(duì)于Mg-Al合金，固溶處理溫度一般在400-450℃之間。保溫時(shí)間要足夠長，使合金元素在鎂基體中達(dá)到均勻分布。冷卻速度要足夠快，以防止溶質(zhì)原子在冷卻過程中析出，形成過飽和固溶體。如果冷卻速度過慢，溶質(zhì)原子會(huì)在冷卻過程中析出，降低固溶強(qiáng)化效果。時(shí)效處理工藝中的時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)析出強(qiáng)化效果起著決定性作用。時(shí)效溫度要適中，既能促進(jìn)析出相的形核和生長，又能避免析出相的粗化。對(duì)于Mg-Zn合金，時(shí)效溫度一般在150-200℃之間。時(shí)效時(shí)間要根據(jù)合金成分和時(shí)效溫度來確定，以獲得最佳的析出相尺寸和分布。如果時(shí)效時(shí)間過短，析出相的數(shù)量和尺寸不足，強(qiáng)化效果不明顯。如果時(shí)效時(shí)間過長，析出相會(huì)粗化，降低強(qiáng)化效果。不同的熱處理工藝順序也會(huì)影響合金的性能。先進(jìn)行固溶處理，再進(jìn)行時(shí)效處理，能夠充分發(fā)揮固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的協(xié)同作用。如果先進(jìn)行時(shí)效處理，再進(jìn)行固溶處理，可能會(huì)破壞已經(jīng)形成的析出相，降低強(qiáng)化效果。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，對(duì)若干二元鎂合金的固溶及析出強(qiáng)化機(jī)制展開深入探究，取得了一系列具有重要理論和實(shí)踐價(jià)值的成果。在二元鎂合金固溶強(qiáng)化方面，通過對(duì)Mg-Er、Mg-Al、Mg-Zn等二元合金體系的研究，全面分析了合金元素在鎂基體中的固溶行為。精確計(jì)算了溶質(zhì)原子在鎂晶格中的占位情況，結(jié)果表明不同合金元素在鎂晶格中的占位存在明顯差異。在Mg-Er合金中，Er原子傾向于占據(jù)鎂晶格的八面體間隙位置，這一占位方式使得Er原子與周圍鎂原子之間的相互作用較強(qiáng)，有利于形成穩(wěn)定的固溶體結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算固溶體的形成能，深入分析了不同合金元素固溶體的穩(wěn)定性。Mg-Er合金中，隨著Er含量的增加，固溶體的形成能逐漸降低，表明固溶體的穩(wěn)定性增強(qiáng)。從力學(xué)性能來看，合金元素的固溶顯著提高了鎂合金的強(qiáng)度和硬度。以Mg-Er合金為例，隨著Er含量的增加，體模量和剪切模量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)Er原子替換超胞中的1個(gè)鎂原子時(shí)，體模量從純鎂的37.3GPa增加到38.5GPa，剪切模量從16.4GPa增加到17.2GPa。從微觀機(jī)制分析，合金元素原子半徑與鎂原子半徑的差異導(dǎo)致晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化。Er原子半徑大于鎂原子半徑，當(dāng)Er原子溶入鎂基體后，會(huì)使基體晶格發(fā)生明顯畸變，產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力場(chǎng)，有效地阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了合金的強(qiáng)度。通過對(duì)電子結(jié)構(gòu)的分析，揭示了固溶強(qiáng)化的電子機(jī)制。合金元素與鎂原子之間的電子相互作用改變了電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了原子間的結(jié)合力。在Mg-Er合金中，Er原子與鎂原子之間形成了較強(qiáng)的化學(xué)鍵，通過電荷密度差分圖可以直觀地看到，在Er原子周圍，電子云密度明顯增加，表明Er原子與周圍鎂原子之間存在較強(qiáng)的電子相互作用，這種強(qiáng)化學(xué)鍵的形成增強(qiáng)了原子間的結(jié)合力，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加困難，進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度。在二元鎂合金析出強(qiáng)化方面，以Mg-Sn二元合金中Mg?Sn析出相和Mg-Zn-Y系合金中的復(fù)雜析出相體系為研究對(duì)象，深入分析了析出相的形成、結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)合金力學(xué)性能的影響。對(duì)于Mg-Sn合金，構(gòu)建了Mg?Sn析出相的超胞模型，并采用共格界面模型處理析出相和基體的界面。通過計(jì)算確定了Mg?Sn析出相的晶體結(jié)構(gòu)和與鎂基體的位向關(guān)系。Mg?Sn相具有反螢石結(jié)構(gòu)，與鎂基體的位向關(guān)系為(0001)_{Mg}//(111)_{Mga??Sn}，[11\bar{2}0]_{Mg}//[1\bar{1}0]_{Mga??Sn}。研究發(fā)現(xiàn)，Mg?Sn析出相的存在顯著提高了Mg-Sn合金的屈服強(qiáng)度和斷裂韌性。根據(jù)Orowan機(jī)制，位錯(cuò)需要繞過析出相，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高了屈服強(qiáng)度。當(dāng)Mg?Sn析出相尺寸較小時(shí)，位錯(cuò)繞過析出相所需的應(yīng)力更大，強(qiáng)化效果更明顯。在斷裂韌性方面，適量的Mg?Sn析出相能夠阻礙裂紋的擴(kuò)展，提高合金的斷裂韌性。當(dāng)裂紋遇到析出相時(shí)，會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、分叉等現(xiàn)象，消耗更多的能量，從而提高了合金的斷裂韌性。在Mg-Zn-Y系合金中，存在準(zhǔn)晶I相、W相、LPSO相等多種復(fù)雜析出相。通過第一性原理計(jì)算分析了這些析出相的形成機(jī)制和穩(wěn)定性。準(zhǔn)晶I相（Mg3Zn6Y）的形成與Zn和Y元素的含量及比例密切相關(guān)，當(dāng)Zn與Y的原子比在一定范圍內(nèi)時(shí)，有利于準(zhǔn)晶I相的形成。W相（Mg3Zn3Y2）的形成與合金中的原子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，在一定的溫度和成分條件下，W相的形成能相對(duì)較低，具有一定的穩(wěn)定性。LPSO相的形成與合金中的原子堆垛順序和層錯(cuò)能密切相關(guān)，Y和Zn原子的添加會(huì)改變鎂基體的層錯(cuò)能，當(dāng)層錯(cuò)能降低到一定程度時(shí)，有利于LPSO相的形成。多種析出相之間存在協(xié)同強(qiáng)化效應(yīng)，它們?cè)谧璧K位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和釘扎晶界方面相互配合，形成了有效的強(qiáng)化機(jī)制。準(zhǔn)晶I相、W相和LPSO相在阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方面具有協(xié)同作用，它們能夠形成一個(gè)有效的位錯(cuò)阻礙網(wǎng)絡(luò)，使得位錯(cuò)在合金中難以運(yùn)動(dòng)，從而提高了合金的強(qiáng)度。在釘扎晶界方面，這些析出相在晶界處的析出能夠有效地阻止晶界的移動(dòng)，抑制晶粒的長大和變形，從而提高合金的強(qiáng)度和塑性。綜合固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的研究，揭示了兩者在二元鎂合金中的協(xié)同效應(yīng)。固溶強(qiáng)化通過溶質(zhì)原子溶入鎂基體，使基體晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；析出強(qiáng)化則是在時(shí)效過程中，從過飽和固溶體中析出細(xì)小、彌散分布的第二相粒子，與位錯(cuò)相互作用，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)的滑移。在Mg-Al合金中，鋁原子固溶到鎂基體中實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化，當(dāng)時(shí)效處理時(shí)，析出β-Mg17Al12相實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化，這兩種強(qiáng)化機(jī)制相互配合，使得位錯(cuò)在合金中運(yùn)動(dòng)更加困