铝硅合金中共晶硅Sr变质机理的理论和实验研究

发布时间：2017-07-29 13:10

  本文关键词：铝硅合金中共晶硅Sr变质机理的理论和实验研究

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【摘要】：铝硅合金铸造性能好,广泛应用于航空、机械工业中,但在常规铸造形成的凝固组织中容易形成粗大硅相,尖锐的不规则形貌会割裂基体组织,极大程度地削弱了合金力学性能。化学变质法如添加Sr元素等能够影响硅相的形貌、尺寸和分布,提高铝硅合金的综合性能,但学术界对Sr变质机理存在诸多解释,至今未有统一说法。本文结合理论计算和实验研究,对亚共晶铝硅合金的Sr变质机理进行研究,通过模拟锶原子在硅生长台阶的吸附,研究其对硅生长的影响,从电子作用力层次揭示锶变质硅相的本质。Sr在Si(100)表面吸附的第一原理计算结果表明,Sr吸附降低了洁净Si(100)表面的表面能,但Si原子在吸Sr表面的堆垛行为提高了吸附表面的表面能,这是因为Sr结合了洁净Si(100)表面的悬挂键,但Sr原子半径比Si大,导致堆垛表面晶格畸变,产生畸变能。分析电子结构发现,Sr失去电子,其中一部分被Si的外层电子轨道获得,但这部分数量较少,另一部分转移到Sr-Si原子之间,因此Sr-Si原子间既有共价键,又有离子键,但共价键较弱;并且,堆垛表面上Sr的s、3d电子轨道杂化增强,这增强了Sr在Si(100)表面的吸附力。另外,吸附表面稳定性不如体相,而且体相到表面的结构和性质是一个缓慢过渡的过程。表面Sr-Si原子间作用力由Sr-s、3d电子和Si-3s3p电子共同贡献,s、p电子轨道会发生杂化耦合现象,而且吸附表面的杂化程度明显要比洁净表面要高,表明吸附表面Sr-Si原子间作用力比洁净表面Si-Si键强,Sr-Si原子结合比Si-Si更稳定,吸附原子不易脱落。Sr-Si原子间的作用力为离子键和共价键,但在较高的Sr浓度下共价键较弱,甚至消失,从而导致Sr-Si原子间作用力减弱,这与Si(100)表面的Sr原子过度集中有关,因为Sr原子之间的排斥力随Sr原子浓度增大而增大,这种排斥力会拉远Sr、Si原子距离,当Sr-Si原子距离超过Sr-Si共价键键长值(2.92?)时,共价键消失,因而减弱了Sr-Si原子间吸引力。电子结构分析表明,Sr的外层电子Sr-s、3d与Si-3s3p相互作用降低了Si-Si原子间的3s3p杂化耦合程度,从而削弱了Si-Si原子间结合力,使吸附表面Si原子堆垛困难,这是Sr变质的电子机理。光学显微镜金相照片、电子显微镜金相照片和三维重构均表明未变质的共晶硅相呈板片状分布,并与观测面法向以一定夹角嵌入初生铝相中;变质后的硅相近似圆球状,晶粒尺寸显著减小。研究发现,在铝硅合金中加入质量分数为0.02%的Sr能够变质粗大的不规则硅相,获得细小的等轴硅晶粒,减轻了应力集中。在最佳变质剂含量0.02%Sr范围内,Sr含量越高,则变质效果越明显。理论计算和实验研究共同证实了Sr变质硅相的机理是吸附-毒化机制,Sr吸附提高了Si(100)堆垛表面的表面能,并且由于Sr-Si原子外层电子轨道Sr-s、3d和Si-3s、3p相互影响,削弱了堆垛层Si原子和表面Si原子,以及表面Si原子和表面以下Si原子间的原子键,降低了吸附表面的稳定性,因此Sr吸附阻碍了Si原子在Si(100)吸附面上的堆垛,而吸附面侧面生长台阶并未受到Sr变质剂抑制,从而可能转变为新的择优生长面,从而改变硅相的生长方式和形貌。
【关键词】：铝硅合金 第一性原理 三维重构 表面吸附 变质机理
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.21
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 铝硅合金变质方法与机理的研究现状12-16
• 1.1.1 铝硅合金变质方法12-14
• 1.1.2 铝硅合金变质机理14-16
• 1.2 表面吸附及其研究16-19
• 1.2.1 表面吸附16-17
• 1.2.2 表面吸附的第一性原理研究17-19
• 1.3 本论文主要研究内容及方法19-21
• 1.3.1 课题来源19
• 1.3.2 研究内容19
• 1.3.3 研究方法19-21
• 第2章 理论计算方法21-27
• 2.1 密度泛函理论21-22
• 2.2 计算软件介绍22
• 2.3 理论计算参数22-27
• 2.3.1 交换关联泛函选择22-23
• 2.3.2 吸附基体Si吸附面的选取23-24
• 2.3.3 收敛性测试24-27
• 2.3.3.1 截断能收敛测试24
• 2.3.3.2 K-points测试24-25
• 2.3.3.3 原子层测试25
• 2.3.3.4 真空层测试25-27
• 第3章 洁净Si(100)表面第一性原理计算27-43
• 3.1 Si体相结构优化与性质分析27-30
• 3.1.1 Si体相建模与参数设置27-28
• 3.1.2 Si体相结构与性质分析28-30
• 3.2 洁净Si(100)表面结构与性质的研究30-42
• 3.2.1 洁净Si(100)表面建模与参数设置30-32
• 3.2.2 洁净Si(100)表面结构和性质分析32-42
• 3.2.2.1 洁净Si(100)表面原子结构32-33
• 3.2.2.2 洁净Si(100)表面能33-34
• 3.2.2.3 布居分析34-38
• 3.2.2.4 电荷密度38-40
• 3.2.2.5 态密度分析40-42
• 3.3 本章小结42-43
• 第4章 Si(100)表面吸附Sr的第一性原理计算43-63
• 4.1 Sr体相计算与分析43-45
• 4.1.1 体相模型与计算参数43-44
• 4.1.2 Sr体相性质分析44-45
• 4.2 Sr原子浓度对吸附的影响及稳定的吸附位置45-54
• 4.2.1 Si(100)表面吸附建模与参数设置45-47
• 4.2.2 吸附结构及其变化47-50
• 4.2.3 吸附能和表面能分析50-51
• 4.2.4 布居分析51-52
• 4.2.5 电荷密度和差分电荷密度分析52-54
• 4.3 Sr吸附结构对硅生长的影响54-60
• 4.3.1 Si(100)表面Si原子堆垛结构54-56
• 4.3.2 Si(100)表面Si原子堆垛的表面能分析56
• 4.3.3 Si(100)表面Si原子堆垛的电子结构分析56-60
• 4.4 本章小结60-63
• 第5章 亚共晶铝硅合金Sr变质实验研究63-79
• 5.1 实验材料及设备63-68
• 5.1.1 实验材料63-64
• 5.1.2 实验设备64-65
• 5.1.3 实验技术路线65-68
• 5.2 Al-7Si合金的制备工艺及流程68-69
• 5.2.1 合金成分设计68
• 5.2.2 制备工艺和流程68-69
• 5.3 实验分析方法69-71
• 5.3.1 金相制备69
• 5.3.2 金相观察69
• 5.3.3 三维重构69-71
• 5.3.3.1 连续切片69-71
• 5.3.3.2 金相图处理及三维形貌的重构71
• 5.4 实验结果分析71-77
• 5.4.1 光学显微镜金相分析71-74
• 5.4.2 扫描电子显微镜分析74-76
• 5.4.3 三维重构分析76-77
• 5.5 本章小结77-79
• 第6章 结论与展望79-81
• 6.1 主要结论79-80
• 6.2 展望80
• 6.3 本文的主要创新点80-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-88
• 攻读学位期间所发表的论文88

【参考文献】

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本文编号：589317