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摘要

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. Mg ₂Si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Mg ₂Si力学性能的影响. 首先计算了Mg ₂Si的单晶体弹性常数 C ₁₁, C ₁₂和 C ₄₄, 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Mg ₂Si晶粒拉伸性能的影响, 最后对H原子掺杂引起的Mg ₂Si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Mg ₂Si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Mg ₂Si晶体断裂强度降低、断裂延伸率提高. 态密度分析表明, Mg ₂Si晶体中引入氢原子, 将引起Mg ₂Si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Mg ₂Si为增强相的材料在氢环境中强度降低机理提供参考依据.

关键词:

Abstract

The mechanical properties of Al-Mg-Si-type aluminum alloys may degenerate due to the hydrogen damage during servicing in hydrogen environment. The Mg ₂Si is the main strengthening phases in Al-Mg-Si-type aluminum alloys. Therefore, the mechanical properties of Mg ₂Si directly determine the strengths of Al-Mg-Si-type aluminum alloys. In this work, the effects of hydrogen atoms on the mechanical properties of Mg ₂Si 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 C ₁₁, C ₁₂and C ₄₄. 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 Mg ₂Si with and without H atoms. The difference between the densities of states with and without H atoms is used to investigate the change of Mg ₂Si induced by H atoms. The results show that hydrogen atoms significantly reduce the shear modulus and elastic modulus of Mg ₂Si, 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 Mg ₂Si. The analysis of density of states indicates that hydrogen atoms will induce the properties of Mg ₂Si 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 Mg ₂Si materials in a hydrogen environment.

Keywords:

作者及机构信息

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.

Authors and contacts

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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施引文献

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Phase	Source	Elastic constants/GPa
Phase	Source	C₁₁	C₁₂	C₄₄	C'	C₁₂–C₄₄
Mg₂Si	This work	113.2	22.2	45.2	45.5	–23.0
	Calculated^[20]	113.7	22.8	43.5
	Calculated^[6]	114.5	21.5	45.6
	Experimental^[21]	126.0	26.0	48.5
Mg₂Si-2.05 at.%H	This work	110.3	25.1	38.8	42.6	–13.7
Mg₂Si-4 at.%H	This work	109.0	26.1	37.8	41.4	–11.7
Mg₂Si-7.69 at.%H	This work	90.6	35.5	34.9	27.5	0.6

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Phase	Source	Modulus
Phase	Source	G_H/GPa	B_H/GPa	E/GPa	ν	B_H/G_H	H/GPa
Mg₂Si	This work	45.3	52.5	105.6	0.16	1.16	10.31
	Calculated [20]	46.2	52.5	107.1	0.16	—	—
	Calculated [6]	44.3	53.4	104.1	0.17	—	—
	Experimental [21]	—	59.0	120.0	—	—	—
Mg₂Si-2.05 at.%H	This work	40.2	53.4	96.5	0.17	1.32	9.07
Mg₂Si-4 at.%H	This work	39.2	53.7	94.7	0.18	1.37	8.56
Mg₂Si-7.69 at.%H	This work	31.7	53.8	79.5	0.28	1.69	4.55

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