Al-Cu-Mg-Y系合金的性能与第一原理计算

发布时间：2019-04-22 10:07

【摘要】：由于铝合金具有重量轻、比强度高、良好的耐蚀性、易于加工成型等特点,已被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑、容器包装、电力电子、机械制造和石油化工等国民经济领域以及人们的日常生活当中。但是,对于新型铝合金的开发还大多局限在传统的实验模式,而随着计算机技术近几年的飞速发展,对材料的性能进行模拟计算成为材料研究新的热点内容。因此本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,应用Materials Studio软件对Al-Cu-Mg(-Y)系合金的主要析出相的结构稳定性、有关热力学性能及弹性性能进行了模拟计算,并通过对Al-5Cu-1Mg(-0.3Y)合金进行显微组织观察和力学性能检测,对比分析了理论计算与实验检测结果,以期为新型铝合金材料的开发与成分设计提供可靠的理论参考。通过对Al-Cu-Mg(-Y)系合金的生成热与结合能以及电子态密度的模拟计算可知,在Al-Cu-Mg系合金凝固过程中,Al2CuMg相将优先于其它相在Al-Cu-Mg系合金中析出,但是当Mg的加入量相对较少时,Al2Cu相就更容易优先析出,因此在Al-Cu-Mg系合金中可以稳定存在Al2CuMg与Al2Cu这两种析出相,说明Cu元素与Al的合金化能力要明显高于Mg元素与Al的合金化能力。当在Al-Cu-Mg系合金中加入微量的Y元素后,由于Y元素与Al的合金化能力要明显高于Cu、Mg元素与Al的合金化能力,因此在Al-Cu-Mg-Y系合金中,Al2Y相优先形成,而当Al-Cu-Mg-Y系合金中Cu含量达到一定值时,Al8Cu4Y相也较易形成。因此,Al2Y相及Al8Cu4Y相为Al-Cu-Mg-Y系合金中的主要强化相,并且结构稳定性也较好。通过对几种主要强化相的弹性常数的模拟计算可知,Al2Cu、Al2Y、Al8Cu4Y这些Al-Cu-Mg(-Y)系合金中主要强化相的体模量B比纯Al的体模量要显著增加,说明这些强化相的强度均高于纯Al的强度,而三种主要强化相的剪切模量G都比纯Al和纯Y的大,说明其脆性增加,但强度和硬度提高。Al2Cu相的杨氏模量最小,塑性最好,而Al2Y相的杨氏模量最大,塑性最差;Al2Cu相的G/B值与纯Al接近,均小于0.5,其韧性最好,而添加稀土元素Y后形成的主要强化相中不管是Al8Cu4Y相还是Al2Y相均为脆性相,并且Al2Y相的脆性更大。Al2Cu相具有较高的泊松比,塑性较好,而Al2Y相的泊松比最小,塑性相对最差。Al单晶有3条声子谱曲线,均为声学支波,声子态密度最高峰出现在3.37THz处;Al2Y和Al2Cu两种强化相的声子谱曲线中均有18条色散曲线,其中有3条声学支格波和15条光学支格波,且Al2Y与Al2Cu声子谱曲线分别在一些特殊的高对称点间存在简并。Al2Y在3~5THz范围内声子出现态密度峰,Al2Cu在4~4.5THz、7~8THz以及9~9.5THz范围内声子出现三个比较明显的态密度峰,说明其晶格振动在这些频率附近格波数最多;随着温度的增加,Al、Al2Y和Al2Cu的熵和焓都增加,而自由能减小。在300K~900K之间的不同温度下,Al2Y相的热稳定性都要高于Al2Cu相。从Al、Al2Y和Al2Cu的定容热容同温度的关系曲线上看,其变化趋势基本一致,当温度低于200K时,随着温度的升高定容热容增加较快,而此后曲线则变化缓慢,直至接近于常数3R。通过对Al-5Cu-1Mg(-0.3Y)合金进行力学性能测试可知,在Al-5Cu-1Mg系合金中加入0.3%的稀土元素Y后,Al-5Cu-1Mg合金的拉伸强度显著提高,断裂伸长率有所降低,且随着时效时间的延长,Al-5Cu-1Mg-0.3Y合金的拉伸强度出现先升高后降低的趋势;在拉伸加载条件下,Al-5Cu-1Mg合金和Al-5Cu-1Mg-0.3Y均发生韧性断裂。低周疲劳加载条件下,T6态挤压变形Al-5Cu-1Mg合金和Al-5Cu-1Mg-0.3Y合金的循环应力响应行为表现为循环应变硬化和循环稳定;稀土元素Y的加入可以提高T6态挤压变形Al-5Cu-1Mg合金在较低外加总应变幅下的循环变形抗力以及在较高外加总应变幅下的低周疲劳寿命,这主要与Al2Y和Al8Cu4Y相的形成有关;此外,对于T6态挤压变形Al-5Cu-1Mg合金和Al-5Cu-1Mg-0.3Y合金,其塑性应变幅、弹性应变幅与疲劳断裂时的载荷反向周次之间均呈线性关系,并且疲劳裂纹均是以穿晶方式萌生于疲劳试样表面,并以穿晶方式扩展。
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【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21

【参考文献】