铝合金中团簇及相性质的第一性原理研究

发布时间：2020-06-10 19:40

【摘要】：铝合金由于其高的比强度、低密度、优良的导电性,导热性被工业上广泛应用。铝合金按化学成分可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锆合金、铝镍合金和铝稀土合金等等。7000系列铝合金属于超高强铝合金,可热处理强化,是室温下强度最高的铝合金,广泛应用于航空航天、交通运输、汽车制造等领域。团簇(clusters)是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体,其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。通过分析团簇的物理化学性质,可以理解多组分体系的稳定性,电学,热力学和力学性能。本文基于密度泛函理论,运用第一性原理的手段对铝合金中团簇及相的结构、稳定性、生长机制、热力学性质、电学性质及力学性质进行了理论研究。Al-Cu合金的计算结果表明:Cu原子倾向于集聚Al_N(N=1-10)团簇而形成密堆积结构,Al_nCu团簇的平均结合能略高于Al_N团簇。在n=1,4,6,9时出现HOMO-LUMO能隙的局部峰值。Al_nCu团簇更易与Al团簇反应,Cu原子与Al原子优先反应。Al-Zr合金的计算结果表明:锆团簇倾向于使铝团簇形成密堆结构。Al_nZr团簇的平均结合能高于Al_N团簇。在n=3,5,7时Al_nZr团簇比其他团簇更加稳定。除了AlZr团簇外,锆的电子吸附能力略低于铝。在n=3,5,7时出现HOMO-LUMO能隙的局部峰值。Zr原子优先与Al_2团簇发生反应。在n=2,5,8时出现偶极矩的局部峰值。Al-Ni合金的计算结果表明:AlNi相的各向异性程度最高,Al_3Ni_2存在最低的各向异性。AlNi,Al_3Ni_5和Al Ni_3相表现出韧性特征,其他相表现脆性特征。AlNi的韧性最好,Al_3Ni_2的韧性最差。Al_3Ni存在最高的德拜温度,Al Ni存在最低的德拜温度。Mg-Zn团簇的计算结果表明:Zn原子更倾向于占据顶点位置。Zn的掺杂降低了Mg团簇的稳定性。通过二阶能量差分发现Mg_3Zn和Mg_3Zn_2比它们的相邻结构更稳定。NBO分析表明,Mg-Zn团簇之间出现了轨道杂化。Ni掺杂Al_2Cu的计算结果表明:Ni掺杂Al_2Cu时,可以稳定存在的结构只有Al_7Cu_4Ni和Al_8Cu_3Ni。掺杂Ni后,Al_2Cu的韧性会被降低,脆性升高。各向异性的结果表明Al_2Cu的各向异性值最大,掺杂进Ni之后,会降低Al_2Cu的各向异性。Al_8Cu_3Ni的德拜温度最高,Al_7Cu_4Ni的德拜温度最低。
【图文】：

显微结构,合金,条件,固溶

图 1.1 Al-Cu 合金受到来自不同浇注条件时出现的显微结构(SEM)Fig. 1.1 SEM images of Al-Cu alloys with the difference of pouring conditions徐国富[9]等研究了 Al-4Cu 合金添加不同含量的钪元素对组织与性能的影响。结果表明：Al-4Cu 的晶粒组织可以被细化通过 Sc，枝晶网胞也可以被改善；当 Al-4Cu 合金的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2随着 Sc 含量小于 0.2%时提高约 20MPa；当 Sc 含量为0.3%~0.4%时却有所降低；当 Sc 含量为 0.5%时又会升高，虽然强度升高，但还是比没有添加 Sc 的合金低；Sc 对合金的伸长率的作用不大。如果 Sc 含量小于 0.2%，，其作用到合金的方式基本是固溶；当 Sc 含量为 0.3%~0.5%时，刨去固溶的 Sc，其他则形成 Al3S相及 AlCuSc 相，AlCuSc 相在 Al-Cu-Sc 系合金中是有害的，合金的力学性能会由于它的存在降低。

铸态组织,合金,固溶,钪元素

图 1.1 Al-Cu 合金受到来自不同浇注条件时出现的显微结构(SEM)ig. 1.1 SEM images of Al-Cu alloys with the difference of pouring condit等研究了 Al-4Cu 合金添加不同含量的钪元素对组织与性能晶粒组织可以被细化通过 Sc，枝晶网胞也可以被改善；当和屈服强度σ0.2随着 Sc 含量小于 0.2%时提高约 20MPa；却有所降低；当 Sc 含量为 0.5%时又会升高，虽然强度升高合金低；Sc 对合金的伸长率的作用不大。如果 Sc 含量小于基本是固溶；当 Sc 含量为 0.3%~0.5%时，刨去固溶的 Sc，其相，AlCuSc 相在 Al-Cu-Sc 系合金中是有害的，合金的力学
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21

【参考文献】