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H对Mg2Si力学性能影响的第一性原理研究

付正鸿 李婷 单美乐 郭糠 苟国庆

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H对Mg2Si力学性能影响的第一性原理研究

付正鸿, 李婷, 单美乐, 郭糠, 苟国庆

Effect of H on elastic properties of Mg2Si by the first principles calculation

Fu Zheng-Hong, Li Ting, Shan Mei-Le, Guo Kang, Gou Guo-Qing
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  • Al-Mg-Si系铝合金在氢环境服役时, 因遭受氢损伤而导致力学性能退化. Mg2Si是Al-Mg-Si系铝合金主要的热处理强化相, 其力学性能直接决定着Al-Mg-Si系铝合金的强度. 本文采用基于密度泛函数理论的第一性原理计算方法, 研究了间隙H原子对Mg2Si力学性能的影响. 首先计算了Mg2Si的单晶体弹性常数C11, C12C44, 在通过Hill模型计算了多晶体的弹性模量、泊松比及硬度, 并进一步计算了H对Mg2Si晶粒拉伸性能的影响, 最后对H原子掺杂引起的Mg2Si晶体态密度变化进行了分析. 结果表明: H原子的引入显著降低Mg2Si晶体的剪切模量和弹性模量, 从而使得体系强度、硬度降低, 韧性提高. 拉伸性能计算也表明H原子引起Mg2Si晶体断裂强度降低、断裂延伸率提高. 态密度分析表明, Mg2Si晶体中引入氢原子, 将引起Mg2Si晶体由半导体性质向金属性质的转变, 从而造成体系强度、硬度的降低, 韧性增加. 本文计算结果可以为揭示以Mg2Si为增强相的材料在氢环境中强度降低机理提供参考依据.
    The mechanical properties of Al-Mg-Si-type aluminum alloys may degenerate due to the hydrogen damage during servicing in hydrogen environment. The Mg2Si is the main strengthening phases in Al-Mg-Si-type aluminum alloys. Therefore, the mechanical properties of Mg2Si directly determine the strengths of Al-Mg-Si-type aluminum alloys. In this work, the effects of hydrogen atoms on the mechanical properties of Mg2Si are investigated by first principle calculation, which is based on the density function theory. First of all, we calculate the single crystal elasticity constants of C11, C12 and C44. Then the elasticity modulus, Poisson’s ratio and hardness of polycrystalline are calculated by using the crystal elasticity constants. Furthermore, we also calculate the tensile properties of Mg2Si with and without H atoms. The difference between the densities of states with and without H atoms is used to investigate the change of Mg2Si induced by H atoms. The results show that hydrogen atoms significantly reduce the shear modulus and elastic modulus of Mg2Si, resulting in the strength and hardness decreasing, but the toughness increasing. The calculations of tensile properties indicate that H atoms reduce the fracture strength but enhance the fracture elongation of Mg2Si. The analysis of density of states indicates that hydrogen atoms will induce the properties of Mg2Si to transform from semiconductor to metal properties. The calculated results in this paper can provide a reference basis for revealing the mechanism of strength reduction of Mg2Si materials in a hydrogen environment.
      通信作者: 苟国庆, gouguoqing1001@163.com
    • 基金项目: 西南交通大学博士创新基金(批准号: D-CX201831)和国家重点研发计划(批准号: 2016YFB1200602-16)资助的课题.
      Corresponding author: Gou Guo-Qing, gouguoqing1001@163.com
    • Funds: Project supported by the Doctoral Innovation Fund Program of Southwest Jiaotong University, China (Grant No. D-CX201831) and the National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2016YFB1200602-16).
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  • 图 1  H原子位于八面体间隙的Mg2Si-H体系超晶胞结构模型

    Fig. 1.  Super-cell structural model of Mg2Si-H system.

    图 2  弹性常数C11, C12, C44C'随氢原子浓度增加的变化趋势

    Fig. 2.  Relationships between C11, C12, C44 and C' as a function of H atoms content.

    图 3  剪切模量(GH)、体模量(BH)、弹性模量(E)、泊松比(ν)、脆性(BH/GH)及硬度(H)与体系H原子浓度的变化关系

    Fig. 3.  Shear moduli G, bulk moduli B, Young's moduli E, Poisson ratios ν, brittleness BH/GH and Hardness H as a function of H atoms content.

    图 4  Mg2Si 1 × 1 × 2超晶胞和4 at.% Mg2Si-H超晶胞沿[001]方向进行拉伸的应力-应变曲线

    Fig. 4.  Stress vs. strain curves of 1 × 1 × 2 super cell with 4 at.% and without H during stretching along [001] direction

    图 5  (a) Mg2Si 和 (b) Mg2Si-7.69 at.%H 总态密度和分波态密度

    Fig. 5.  DOS and PDOS of (a) Mg2Si and (b) Mg2Si-7.69 at.% H.

    表 1  Mg2Si-H体系晶体弹常数计算结果

    Table 1.  Elastic constant of Mg2Si-H system.

    PhaseSourceElastic constants/GPa
    C11C12C44C'C12C44
    Mg2SiThis work113.222.245.245.5–23.0
    Calculated [20]113.722.843.5
    Calculated [6]114.521.545.6
    Experimental [21]126.026.048.5
    Mg2Si-2.05 at.%HThis work110.325.138.842.6–13.7
    Mg2Si-4 at.%HThis work109.026.137.841.4–11.7
    Mg2Si-7.69 at.%HThis work90.635.534.927.50.6
    下载: 导出CSV

    表 2  Mg2Si-H体系模量

    Table 2.  Modulus of Mg2Si-H system.

    PhaseSourceModulus
    GH/GPaBH/GPaE/GPaνBH/GHH/GPa
    Mg2SiThis work45.352.5105.60.161.1610.31
    Calculated [20]46.252.5107.10.16
    Calculated [6]44.353.4104.10.17
    Experimental [21]59.0120.0
    Mg2Si-2.05 at.%HThis work40.253.496.50.171.329.07
    Mg2Si-4 at.%HThis work39.253.794.70.181.378.56
    Mg2Si-7.69 at.%HThis work31.753.879.50.281.694.55
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-04
  • 修回日期:  2019-06-15
  • 上网日期:  2019-09-01
  • 刊出日期:  2019-09-05

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