铝大气环境中钝化及沿晶开裂行为的跨尺度计算

发布时间：2021-05-25 12:02

　　本文利用结合第一性原理与内聚有限元的跨尺度计算方法研究铝的钝化及沿晶开裂行为与机理。首先,利用研究了铝钝化膜的形成过程,利用第一性原理计算O2和H20分子在Al（111）表面的吸附行为,结果表明:对于无缺陷Al（111）表面,钝化膜在H2O和O2的共同作用下形成,通过O原子向内部迁移而增厚。其次,利用第一性原理计算Cl-与钝化膜的相互作用来探究原子尺度的点蚀萌生机理,点蚀的萌生更倾向于Cl-吸附导致的表面减薄,而不是反应能垒较高的Cl-渗透行为。再次,利用第一性原理研究H原子在Al（111）表面的吸附、在亚表面和内部的溶解以及从表面向内部扩散的能垒,通过对能量的分析可获得H原子的最稳定吸附、溶解位和最优扩散路径以及扩散需克服的能垒。本研究建立120个原子的晶内和晶界结构模型,利用第一性原理计算H原子在晶内和晶界的溶解、H原子在晶内和晶界的扩散以及Al原子空位对扩散行为的影响,结果表明,H原子更倾向于溶解在晶界处;H原子在晶界的扩散能力远高于晶内,晶界为H原子的快速扩散通道;Al原子空位能够促进晶内H原子进入晶界,能够促进H原子在晶内的扩散;而Al原子空位对H原子在晶界扩散能力的影响具有... 

【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：99 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 引言
2 文献综述
    2.1 铝腐蚀行为概述
    2.2 铝钝化膜的形成与破坏
        2.2.1 钝化膜的形成与性质
        2.2.2 Cl~-导致铝点蚀萌生机理
    2.3 铝合金的氢致开裂行为研究进展
    2.4 计算方法在腐蚀行为与机理研究中的应用
        2.4.1 第一性原理计算方法及其在腐蚀研究中的应用
        2.4.2 有限元方法及其在腐蚀研究中的应用
        2.4.3 跨尺度计算与模拟方法研究进展
    2.5 本文的研究内容与目的
3 利用第一性原理计算方法研究铝钝化膜的形成机理
    3.1 引言
    3.2 计算模型与方法
        3.2.1 吸附计算
        3.2.2 过渡态搜索计算
        3.2.3 电子性质计算
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 O_2分子在Al(111)表面的吸附
        3.3.2 H_2O分子在Al(111)表面的吸附
        3.3.3 O_2和H_2O分子在Al(111)表面的共吸附
    3.4 本章小结
4 铝钝化膜点蚀萌生机理
    4.1 引言
    4.2 计算方法
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 H_2O分子在γ-Al_2O_3(010)表面的吸附
        4.3.2 Cl~-在γ-Al_2O_3(010)表面的吸附和亚表面渗透
        4.3.3 Cl-吸附对γ-Al_2O_3(010)表面能带结构的影响
        4.3.4 铝钝化膜的点蚀机理
    4.4 本章小结
5 H原子在表面和内部的吸附、溶解和扩散
    5.1 引言
    5.2 计算模型与方法
        5.2.1 吸附和溶解反应计算
        5.2.2 过渡态搜索计算
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 H原子在铝表面和内部的吸附和溶解
        5.3.2 H原子沿Al(111)表面向内部扩散
        5.3.3 H原子在金属铝晶界的溶解
        5.3.4 Al原子空位对H原子在晶内和晶界迁移的影响
    5.4 本章小结
6 氢致铝晶间开裂行为的跨尺度计算
    6.1 引言
    6.2 计算模型与方法
        6.2.1 第一性原理计算
        6.2.2 内聚有限元计算
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 H原子偏聚对晶界强度的弱化
        6.3.2 氢致晶间开裂行为的模拟
    6.4 本章小结
7 结论
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集


【参考文献】：
期刊论文
[1]不同时效状态下7050铝合金氢致开裂行为[J]. 祁文娟,宋仁国,祁星,金骥戎,王超,李海.  材料热处理学报. 2014(11)
[2]H2O和O2在Al（111）表面吸附的密度泛函理论研究[J]. 雷小丽,杨丽霞,刘明星,张玉新,冯军.  计算机与应用化学. 2011(06)
[3]多尺度有限元建模方法及其应用[J]. 陆新征,林旭川,叶列平.  华中科技大学学报(城市科学版). 2008(04)
[4]铝和铝合金的大气腐蚀研究现状[J]. 安百刚,张学元,韩恩厚,李洪锡,宋诗哲.  中国有色金属学报. 2001(S2)
[5]多尺度材料模型研究及应用[J]. 郭雅芳,郭雅芳,王崇愚.  材料导报. 2001(07)



本文编号：3205306