ZA62镁合金中<em>AB</em><sub>2</sub>型金属间化合物的结构稳定性与弹性性能的第一原理计算

金属学报

2010, Vol. 46

Issue (1): 97-103

论文

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ZA62镁合金中AB₂型金属间化合物的结构稳定性与弹性性能的第一原理计算

周惦武¹⁾; 徐少华²⁾; 张福全²⁾; 彭平²⁾; 刘金水²⁾

1 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室; 长沙 410082 2 湖南大学材料科学与工程学院; 长沙410082

FIRST-PRINCIPLES CALCULATIONS OF STRUCTURAL STABILITIES AND ELASTIC PROPERTIES OF AB₂ TYPE INTERMETALLICS IN ZA62 MAGNESIUM ALLOY

ZHOU Dianwu¹⁾; XU Shaohua²⁾; ZHANG Fuquan²⁾; PENG Ping²⁾; LIU Jinshui²⁾

1 State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body; Hunan University; Changsha 410082 2 School of Materials Science and Engineering; Hunan University; Changsha 410082

引用本文:

周惦武徐少华张福全彭平刘金水. ZA62镁合金中AB₂型金属间化合物的结构稳定性与弹性性能的第一原理计算[J]. 金属学报, 2010, 46(1): 97-103.
. FIRST-PRINCIPLES CALCULATIONS OF STRUCTURAL STABILITIES AND ELASTIC PROPERTIES OF AB₂ TYPE INTERMETALLICS IN ZA62 MAGNESIUM ALLOY[J]. Acta Metall Sin, 2010, 46(1): 97-103.

全文: PDF(982 KB)

摘要:

采用基于密度泛函理论Castep和Dmol程序软件包, 计算了ZA62镁合金中AB₂型金属间化合物 MgZn₂, Mg₂Sn和MgCu₂的结构稳定性、弹性性能与电子结构. 合金形成热和结合能的计算结果显示: Mg₂Sn具有最强的合金化形成能力, 而MgCu₂结构最稳定; 体模量(B)、弹性各向异性系数(A)、Young's模量(E)、剪切模量(G)和Poisson比(ν)的计算结果表明: MgZn₂和MgCu₂为延性相, 而Mg₂Sn为脆性相, MgZn₂的塑性最好; 采用弹性常数、体模量和结合能的经验公式计算金属间化合物的熔点, 实验值均在采用弹性常数(±300 K)和体模量(±500 K)计算熔点预测的范围内, 采用弹性常数比采用体模量和结合能预测熔点的平均相对误差小, 其中采用弹性常数计算Mg₂Sn的熔点与对应的实验值十分接近, 相对误差仅为0.31%. 不同温度下热力学性质的计算结果表明, 在298-573 K温度范围内, MgCu₂的Gibbs自由能始终最小, 其结构热稳定性最好, 结构稳定性的强弱顺序并不随温度的升高而消失; 而对MgZn₂和Mg₂Sn, 以475 K为临界, 结构稳定性的强弱顺序随温度的升高发生了变化; 态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明: MgCu₂ 结构最稳定的原因主要在于体系在Fermi能级以下区域成键电子存在强烈的离子键作用.

关键词 ：镁合金, 金属间化合物, 电子结构, 结构稳定性, 弹性性能

Abstract：

Structural stabilities, elastic properties and electronic structures of Mg₂Sn, MgZn₂ and MgCu₂ in ZA62 magnesium alloy have been determined from first-principles calculations by using Castep and Dmol program based on the density functional theory. The calculated heats of formation and cohesive energies showed that Mg₂Sn has the strongest alloying ability and MgCu₂ the highest structural stability. The calculated bulk moduli (B), anisotropy values (A), Young's moduli (E), shear moduli (G) and Poisson ratio (ν) showed that MgZn₂ and MgCu₂ both are ductile, on the contrary, Mg₂Sn is brittle, and among the three phases MgZn₂ is a phase with the best plasticity. Their tested melting temperatures are within the ranges calculated from elastic constants (±300 K) and bulk moduli (±500 K), the estimated values from elastic constant have the smallest average relative error, the calculated melting temperature of Mg₂Sn phase is in well agreement with the experimental one and the error relative to the experiment result is about 0.31%. MgCu₂ has higher melting temperature, i.e. better structural stability among the three compounds. The calculations of thermodynamic properties show that the Gibbs free energy of MgCu₂ is also the smallest within 298-573 K range, indicating the structural stability of MgCu₂ does not change with the elevated temperature. The calculations of the density of states (DOS) and Mulliken electronic populations showed that the reason of MgCu₂ having highest structural stability in ZA62 magnesium alloy attributes to MgCu₂ phase having more ionic bonds below Fermi level compared with those of Mg₂Sn and MgZn₂ phases.

Key words： magnesium alloy intermetallics electronic structure structural stability elastic property

收稿日期: 2009-07-01

ZTFLH:

TG146.2

基金资助:

教育部博士点专项科研(新教师)基金项目200805321032, 国家自然科学基金项目50771044, 湖南省自然科学基金项目09JJ6079,
教育部长江学者与创新团队发展计划项目531105050037, 以及湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主研究课题项目60870005资助

作者简介: 周惦武, 男, 1971年生, 副教授, 博士

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