搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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

引用本文:
Citation:

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
PDF
HTML
导出引用
  • 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).
    [1]

    李建国, 谭红艳, 史子木, 何迁 2008 中国有色金属学报 18 1819Google Scholar

    Li J G, Tan H Y, Shi Z M, He Q 2008 Chin. J. Nonferrous. Met. 18 1819Google Scholar

    [2]

    Zeng F L, Wei Z L, Li J F, Li C X, Tan X, Zhang Z, Zheng Z Q 2011 T. Nonferr. Metal. Soc. 21 2559Google Scholar

    [3]

    Qin Q D, Li W X, Zhao K W, Qiu S L, Zhao Y G 2010 Mat. Sci. Eng. A 527 2253Google Scholar

    [4]

    Tong X, Zhang D, Wang K, Lin J, Liu Y, Shi Z, Li Y, Lin J, Wen C 2018 Mat. Sci. Eng. A 733 9Google Scholar

    [5]

    任玉艳, 刘桐宇, 李英民 2016 中国科学: 物理学 力学 天文学 46 084611

    Ren Y Y, Liu T Y, Li Y M 2016 Sci. Sin.: Phys. Mech. Astron. 46 084611

    [6]

    余本海, 刘墨林, 陈东 2011 物理学报 60 087105Google Scholar

    Yu B H, Liu M L, Chen D 2011 Acta Phys. Sin. 60 087105Google Scholar

    [7]

    韩秀丽, 王清, 孙东立, 张红星 2008 中国有色金属学报 18 523Google Scholar

    Han S L, Wang Q, Sun L D, Zhang H X 2008 Chin. J. Nonferrous. Met. 18 523Google Scholar

    [8]

    张凤春, 李春福, 文平, 罗强, 冉曾令 2014 物理学报 66 227101Google Scholar

    Zhang F C, Li C F, Wen P, Rang Z L 2014 Acta Phys. Sin. 66 227101Google Scholar

    [9]

    马明光, 亢世江, 张红玲, 徐红彬 2015 热加工工艺 44 96

    Ma G M, Kang S J, Zhang H L, Xu H B 2015 Hot Working Technology 44 96

    [10]

    姚宝殿, 胡桂青, 于治水 2016 物理学报 65 026202Google Scholar

    Yao B D, Hu G Q, Yu Z S 2016 Acta Phys. Sin. 65 026202Google Scholar

    [11]

    韩秀丽 2010 博士学位论文 (哈尔滨: 哈尔滨工业大学)

    Han X L 2010 Ph. D. Dissertation (Harbin: Harbin Institute of Technology) (in Chinese)

    [12]

    饶建平, 欧阳楚英, 雷敏生 2012 物理学报 61 047105Google Scholar

    Rao J P, Ouyang C Y, Lei M S 2012 Acta Phys. Sin. 61 047105Google Scholar

    [13]

    石瑜, 白洋, 莫丽玢, 向青云, 黄亚丽, 曹江利 2015 物理学报 64 116301Google Scholar

    Shi Y, Bai Y, Mo L B, Xiang Q Y, Huang Y L, Cao J L 2015 Acta Phys. Sin. 64 116301Google Scholar

    [14]

    刘娜娜, 孙翰英, 刘洪生 2009 材料导报: 纳米与新材料专辑 23 278

    Liu N N, Sun H Y, Liu H S 2009 Mat. Rev. 23 278

    [15]

    Li L Y, Yu W, Jin C Q 2005 J. Phys.: Condens. Mat. 17 5965Google Scholar

    [16]

    Hill R 2002 Proc. Phys. Soc. 65 349

    [17]

    Jang S H, Chichibu S F 2012 J. Appl. Phys. 112 073503Google Scholar

    [18]

    Yu W Y, Wang N, Xiao X B 2009 Solid State Sci. 11 1400Google Scholar

    [19]

    Li Y, Gao Y, Xiao B 2010 J. Alloy Compd. 502 28Google Scholar

    [20]

    Bystricky J, LaFrance P, Lehar F, Perrot F, Winternitz P 1985 Phys. Rev. D 32 575

    [21]

    Parks G S 1973 J. Chem. Educ. 30 82A

    [22]

    Sung C M, Sung M 1996 Mater. Chem. Phys. 43 1Google Scholar

    [23]

    Leger J M, Djemia P, Ganot F 2001 Appl. Phys. Lett. 79 2169Google Scholar

    [24]

    Miao N, Sa B, Zhou J 2011 Comp. Mater. Sci. 50 1559Google Scholar

    [25]

    Senkov O N, Dubois M, Jonas J J 1996 Metall. Mater. Trans. A 27 3963Google Scholar

    [26]

    Maziyar A, Ahad M, Herbert D, Christian G M 2015 Metall. Mater. Trans. B 46 1471Google Scholar

  • 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
  • [1]

    李建国, 谭红艳, 史子木, 何迁 2008 中国有色金属学报 18 1819Google Scholar

    Li J G, Tan H Y, Shi Z M, He Q 2008 Chin. J. Nonferrous. Met. 18 1819Google Scholar

    [2]

    Zeng F L, Wei Z L, Li J F, Li C X, Tan X, Zhang Z, Zheng Z Q 2011 T. Nonferr. Metal. Soc. 21 2559Google Scholar

    [3]

    Qin Q D, Li W X, Zhao K W, Qiu S L, Zhao Y G 2010 Mat. Sci. Eng. A 527 2253Google Scholar

    [4]

    Tong X, Zhang D, Wang K, Lin J, Liu Y, Shi Z, Li Y, Lin J, Wen C 2018 Mat. Sci. Eng. A 733 9Google Scholar

    [5]

    任玉艳, 刘桐宇, 李英民 2016 中国科学: 物理学 力学 天文学 46 084611

    Ren Y Y, Liu T Y, Li Y M 2016 Sci. Sin.: Phys. Mech. Astron. 46 084611

    [6]

    余本海, 刘墨林, 陈东 2011 物理学报 60 087105Google Scholar

    Yu B H, Liu M L, Chen D 2011 Acta Phys. Sin. 60 087105Google Scholar

    [7]

    韩秀丽, 王清, 孙东立, 张红星 2008 中国有色金属学报 18 523Google Scholar

    Han S L, Wang Q, Sun L D, Zhang H X 2008 Chin. J. Nonferrous. Met. 18 523Google Scholar

    [8]

    张凤春, 李春福, 文平, 罗强, 冉曾令 2014 物理学报 66 227101Google Scholar

    Zhang F C, Li C F, Wen P, Rang Z L 2014 Acta Phys. Sin. 66 227101Google Scholar

    [9]

    马明光, 亢世江, 张红玲, 徐红彬 2015 热加工工艺 44 96

    Ma G M, Kang S J, Zhang H L, Xu H B 2015 Hot Working Technology 44 96

    [10]

    姚宝殿, 胡桂青, 于治水 2016 物理学报 65 026202Google Scholar

    Yao B D, Hu G Q, Yu Z S 2016 Acta Phys. Sin. 65 026202Google Scholar

    [11]

    韩秀丽 2010 博士学位论文 (哈尔滨: 哈尔滨工业大学)

    Han X L 2010 Ph. D. Dissertation (Harbin: Harbin Institute of Technology) (in Chinese)

    [12]

    饶建平, 欧阳楚英, 雷敏生 2012 物理学报 61 047105Google Scholar

    Rao J P, Ouyang C Y, Lei M S 2012 Acta Phys. Sin. 61 047105Google Scholar

    [13]

    石瑜, 白洋, 莫丽玢, 向青云, 黄亚丽, 曹江利 2015 物理学报 64 116301Google Scholar

    Shi Y, Bai Y, Mo L B, Xiang Q Y, Huang Y L, Cao J L 2015 Acta Phys. Sin. 64 116301Google Scholar

    [14]

    刘娜娜, 孙翰英, 刘洪生 2009 材料导报: 纳米与新材料专辑 23 278

    Liu N N, Sun H Y, Liu H S 2009 Mat. Rev. 23 278

    [15]

    Li L Y, Yu W, Jin C Q 2005 J. Phys.: Condens. Mat. 17 5965Google Scholar

    [16]

    Hill R 2002 Proc. Phys. Soc. 65 349

    [17]

    Jang S H, Chichibu S F 2012 J. Appl. Phys. 112 073503Google Scholar

    [18]

    Yu W Y, Wang N, Xiao X B 2009 Solid State Sci. 11 1400Google Scholar

    [19]

    Li Y, Gao Y, Xiao B 2010 J. Alloy Compd. 502 28Google Scholar

    [20]

    Bystricky J, LaFrance P, Lehar F, Perrot F, Winternitz P 1985 Phys. Rev. D 32 575

    [21]

    Parks G S 1973 J. Chem. Educ. 30 82A

    [22]

    Sung C M, Sung M 1996 Mater. Chem. Phys. 43 1Google Scholar

    [23]

    Leger J M, Djemia P, Ganot F 2001 Appl. Phys. Lett. 79 2169Google Scholar

    [24]

    Miao N, Sa B, Zhou J 2011 Comp. Mater. Sci. 50 1559Google Scholar

    [25]

    Senkov O N, Dubois M, Jonas J J 1996 Metall. Mater. Trans. A 27 3963Google Scholar

    [26]

    Maziyar A, Ahad M, Herbert D, Christian G M 2015 Metall. Mater. Trans. B 46 1471Google Scholar

  • [1] 付现凯, 陈万骐, 姜钟生, 杨波, 赵骧, 左良. Ti3O5弹性、电子和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2019, 68(20): 207301. doi: 10.7498/aps.68.20190664
    [2] 林俏露, 李公平, 许楠楠, 刘欢, 王苍龙. 金红石TiO2本征缺陷磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2017, 66(3): 037101. doi: 10.7498/aps.66.037101
    [3] 胡洁琼, 谢明, 陈家林, 刘满门, 陈永泰, 王松, 王塞北, 李爱坤. Ti3AC2相(A = Si,Sn,Al,Ge)电子结构、弹性性质的第一性原理研究. 物理学报, 2017, 66(5): 057102. doi: 10.7498/aps.66.057102
    [4] 刘博, 王煊军, 卜晓宇. 高压下NH4ClO4结构、电子及弹性性质的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(12): 126102. doi: 10.7498/aps.65.126102
    [5] 石瑜, 白洋, 莫丽玢, 向青云, 黄亚丽, 曹江利. H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(11): 116301. doi: 10.7498/aps.64.116301
    [6] 胡洁琼, 谢明, 张吉明, 刘满门, 杨有才, 陈永泰. Au-Sn金属间化合物的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(24): 247102. doi: 10.7498/aps.62.247102
    [7] 赵立凯, 赵二俊, 武志坚. 5d过渡金属二硼化物的结构和热、力学性质的第一性原理计算. 物理学报, 2013, 62(4): 046201. doi: 10.7498/aps.62.046201
    [8] 颜小珍, 邝小渝, 毛爱杰, 匡芳光, 王振华, 盛晓伟. 高压下ErNi2B2C弹性性质、电子结构和热力学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(10): 107402. doi: 10.7498/aps.62.107402
    [9] 范开敏, 杨莉, 孙庆强, 代云雅, 彭述明, 龙兴贵, 周晓松, 祖小涛. 六角相ErAx (A=H, He)体系弹性性质的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(11): 116201. doi: 10.7498/aps.62.116201
    [10] 周平, 王新强, 周木, 夏川茴, 史玲娜, 胡成华. 第一性原理研究硫化镉高压相变及其电子结构与弹性性质. 物理学报, 2013, 62(8): 087104. doi: 10.7498/aps.62.087104
    [11] 段永华, 孙勇. (α, β , γ)-Nb5Si3电子结构和光学性质研究. 物理学报, 2012, 61(21): 217101. doi: 10.7498/aps.61.217101
    [12] 赵荣达, 朱景川, 刘勇, 来忠红. FeAl(B2) 合金La, Ac, Sc 和 Y 元素微合金化的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(13): 137102. doi: 10.7498/aps.61.137102
    [13] 王斌, 刘颖, 叶金文. 高压下TiC的弹性、电子结构及热力学性质的第一性原理计算. 物理学报, 2012, 61(18): 186501. doi: 10.7498/aps.61.186501
    [14] 逯瑶, 王培吉, 张昌文, 冯现徉, 蒋雷, 张国莲. 第一性原理研究Fe掺杂SnO2材料的光电性质. 物理学报, 2011, 60(11): 113101. doi: 10.7498/aps.60.113101
    [15] 蒋雷, 王培吉, 张昌文, 冯现徉, 逯瑶, 张国莲. 超晶格SnO2掺Cr的电子结构和光学性质的研究. 物理学报, 2011, 60(9): 093101. doi: 10.7498/aps.60.093101
    [16] 陈海川, 杨利君. LiGaX2(X=S, Se, Te)的电子结构,光学和弹性性质的第一性原理计算. 物理学报, 2011, 60(1): 014207. doi: 10.7498/aps.60.014207
    [17] 胡玉平, 平凯斌, 闫志杰, 杨雯, 宫长伟. Finemet合金析出相-Fe(Si)结构与磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2011, 60(10): 107504. doi: 10.7498/aps.60.107504
    [18] 余本海, 刘墨林, 陈东. 第一性原理研究Mg2 Si同质异相体的结构、电子结构和弹性性质. 物理学报, 2011, 60(8): 087105. doi: 10.7498/aps.60.087105
    [19] 于峰, 王培吉, 张昌文. N掺杂SnO2材料光电性质的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(10): 7285-7290. doi: 10.7498/aps.59.7285
    [20] 许红斌, 王渊旭. 过渡金属Tc及其氮化物TcN,TcN2,TcN3与TcN4低压缩性的第一性原理计算研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5645-5652. doi: 10.7498/aps.58.5645
计量
  • 文章访问数:  9595
  • PDF下载量:  99
  • 被引次数: 0
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

/

返回文章
返回