第一性原理研究铝合金中间相的腐蚀机理
发布时间：2022-01-15 16:50
铝及其合金由于其优异的性能而广泛用于各个领域,它的产量仅次于钢铁,在有色金属中排名第一。与钢类似,铝合金也遭受腐蚀,因此,已经对铝合金的耐蚀性给予了极大的关注。众所周知,铝合金在铸造和热处理过程中不可避免地会析出一些第二相,例如θ相,T1相和S相等。通过电化学分析,可以发现合金中第二相与铝基体之间的电子功函数差是腐蚀铝合金的主要动力。S相和T1相是Al-Cu合金中常见的析出相,这二者的腐蚀行为对Al-Cu合金的耐腐蚀性具有至关重要的影响。本文在原子尺度上研究了S相和T1相的腐蚀机理,运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法计算了S相和T1相的表面能和功函数,并讨论了应力和电化学环境（H2O和Cl-）对T1相的影响。得出的结论如下:1.计算了S相的表面能、表面电子功函数和界面替位能。不同的终结面具有不同的表面性质,这取决于表面原子密度和终结面的元素组成。功函数的计算结果表明,终结面的镁含量越高,则功函数越低,耐腐蚀性越差。替位能的结果显示,合金原子倾向于在界面处偏析,Fe和Si由于原子半径小且电负性高,明显促进了S相的析出。2.计算了T1相的表...
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
S相的单胞模型
桂林理工大学硕士学位论文5S相是2ⅹⅹⅹ铝合金中常见的析出相，同时含有不活泼元素Cu和活泼元素Mg，其腐蚀过程比较复杂，有实验研究[34-35,62]认为S相腐蚀的原因有两种：一种是认为S相含有腐蚀电位较低的Mg、Al，二者又都是活泼性元素，所以，S相在腐蚀刚开始充当阳极，首先发生溶解，之后使得S相中高腐蚀电位Cu含量增加、富集，含Cu较多的S转变为阴极而受到保护，造成铝基体的腐蚀。还有一种认为S相本身不发生溶解，直接是S相周围的颗粒发生腐蚀。但具体的腐蚀过程，仍需要进一步的研究，目前还没有统一的观点[63-64]。S相的单胞模型如图1.1所示。图1.1S相的单胞模型Fig.1.1SinglecellmodelofSphase（5）Al6Cu4Li3（T1相）T1相是Al-Cu-Li合金中最主要的强化析出相，铝中Li的加入降低了合金的密度，增加了合金的刚度，而与Cu的结合促进了析出强化，从而获得了高强度的沉淀析出物。然而，T1相的存在可能增加合金的腐蚀敏感性，以往的研究表明，T1相通常作为合金基体的阳极，导致阳极的溶解和腐蚀[65-67]。针对T1相造成的（亚）晶界腐蚀也存在几种不同的观点。Buchheit等[68]通过研究提出了T1相阳极溶解，导致（亚）晶界腐蚀的观点，并且发现T1相的浓度较高时，亚晶界对局部腐蚀尤为敏感。Kumai等[69]则认为是（亚）晶图1.2T1相的单胞模型Fig.1.2SinglecellmodelofT1phase
桂林理工大学硕士学位论文16图2.1自恰方法求解Kohn-Sham方程流程图Fig.2.1Flowchartofself-consistentmethodforsolvingKohn-Shamequation2.3软件介绍本论文计算所用的计算模型均是由MaterialsStudio(MS)中的CASTEP模块来进行建模的，而计算所用的软件是TheViennaAbinitiosimulationpackage(VASP)。以下，我们将对这两个软件进行介绍。2.3.1CASTEP本文中微观电子模型均是使用MS中CASTEP模块来进行构建的，全称是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage，CASTEP主要用来Fortran语言编程，属于量子化模板。此模块是由剑桥大学凝聚态物理小组基于DFT理论开发的一套研究固体材料物理化学性质的从头算量子力学程序。MS中CASTEP模块，基于第一性原理的计算可以广泛应用于多种体系（包含半导体、液晶、矿物等）的特性研究，这些特性包含有表面性质、点缺陷（替位掺杂、间隙原子、空位）、线缺陷（孪晶界、位错）、面缺陷（堆垛层错、小角度晶界）和光学特性、化学特性（能级分裂图）、电子结构（能带、态密度、电荷密度分布）、
【参考文献】：
期刊论文
[1]拉应力条件下微弧氧化膜对铝合金腐蚀及电化学行为的影响[J]. 花天顺,宋仁国,宗玙,蔡思伟,王超. 中国表面工程. 2019(03)
[2]焊后热处理对Al-Mg-Zn（-Sc-Zr）合金焊丝焊接7075铝合金焊接接头组织和性能的影响[J]. 熊斯,唐鑫,王春霞,胡清华. 材料导报. 2019(16)
[3]7020超高强铝合金的应力腐蚀行为研究[J]. 罗先甫,查小琴,刘晓勇,张文利. 材料保护. 2019(06)
[4]晶粒组织对Al-Zn-Mg合金抗应力腐蚀性能的影响[J]. 叶凌英,姚学彬,唐建国,李红萍,张新明. 中南大学学报(自然科学版). 2019(05)
[5]Effect of Mo Addition on Corrosion Behavior of High-Entropy Alloys CoCrFeNiMox in Aqueous Environments[J]. Xu-Liang Shang,Zhi-Jun Wang,Qing-Feng Wu,Jin-Cheng Wang,Jun-Jie Li,Jia-Kang Yu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2019(01)
[6]SiCp/Al-5Mg复合焊丝焊接7075铝合金TIG焊接工艺及接头组织性能分析[J]. 胡清华,张义福,熊斯,唐鑫. 稀有金属. 2019(10)
[7]Cu掺杂6000系铝合金中β?相的第一性原理研究[J]. 温柏杨,贾志宏,吴小志,刘庆. 中国有色金属学报. 2018(10)
[8]Effect of O–O bonds on p-type conductivity in Ag-doped ZnO twin grain boundaries[J]. 吴静静,唐鑫,龙飞,唐壁玉. Chinese Physics B. 2018(05)
[9]7A04铝合金应力腐蚀敏感性及裂纹萌生与扩展行为[J]. 杜娟,田辉,陈亚军,王付胜,陈翘楚,褚弘. 材料工程. 2018(04)
[10]高强铝合金中间相Al2Cu,Al2CuMg和MgZn2性能的第一性原理计算[J]. 廖飞,范世通,邓运来,张劲. 航空材料学报. 2016(06)
博士论文
[1]电子功函数的计算及其在材料表面电化学问题研究中的应用[D]. 王健.中国科学技术大学 2016
硕士论文
[1]7000系铝合金中主要合金元素对其性能及微观组织的影响[D]. 刘萍.湖南大学 2013
[2]少量Si、Ag、Li对低Cu/Mg比Al-Cu-Mg合金微观组织结构与性能的影响[D]. 王诗勇.中南大学 2009
本文编号：3590978
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
S相的单胞模型
桂林理工大学硕士学位论文5S相是2ⅹⅹⅹ铝合金中常见的析出相，同时含有不活泼元素Cu和活泼元素Mg，其腐蚀过程比较复杂，有实验研究[34-35,62]认为S相腐蚀的原因有两种：一种是认为S相含有腐蚀电位较低的Mg、Al，二者又都是活泼性元素，所以，S相在腐蚀刚开始充当阳极，首先发生溶解，之后使得S相中高腐蚀电位Cu含量增加、富集，含Cu较多的S转变为阴极而受到保护，造成铝基体的腐蚀。还有一种认为S相本身不发生溶解，直接是S相周围的颗粒发生腐蚀。但具体的腐蚀过程，仍需要进一步的研究，目前还没有统一的观点[63-64]。S相的单胞模型如图1.1所示。图1.1S相的单胞模型Fig.1.1SinglecellmodelofSphase（5）Al6Cu4Li3（T1相）T1相是Al-Cu-Li合金中最主要的强化析出相，铝中Li的加入降低了合金的密度，增加了合金的刚度，而与Cu的结合促进了析出强化，从而获得了高强度的沉淀析出物。然而，T1相的存在可能增加合金的腐蚀敏感性，以往的研究表明，T1相通常作为合金基体的阳极，导致阳极的溶解和腐蚀[65-67]。针对T1相造成的（亚）晶界腐蚀也存在几种不同的观点。Buchheit等[68]通过研究提出了T1相阳极溶解，导致（亚）晶界腐蚀的观点，并且发现T1相的浓度较高时，亚晶界对局部腐蚀尤为敏感。Kumai等[69]则认为是（亚）晶图1.2T1相的单胞模型Fig.1.2SinglecellmodelofT1phase
桂林理工大学硕士学位论文16图2.1自恰方法求解Kohn-Sham方程流程图Fig.2.1Flowchartofself-consistentmethodforsolvingKohn-Shamequation2.3软件介绍本论文计算所用的计算模型均是由MaterialsStudio(MS)中的CASTEP模块来进行建模的，而计算所用的软件是TheViennaAbinitiosimulationpackage(VASP)。以下，我们将对这两个软件进行介绍。2.3.1CASTEP本文中微观电子模型均是使用MS中CASTEP模块来进行构建的，全称是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage，CASTEP主要用来Fortran语言编程，属于量子化模板。此模块是由剑桥大学凝聚态物理小组基于DFT理论开发的一套研究固体材料物理化学性质的从头算量子力学程序。MS中CASTEP模块，基于第一性原理的计算可以广泛应用于多种体系（包含半导体、液晶、矿物等）的特性研究，这些特性包含有表面性质、点缺陷（替位掺杂、间隙原子、空位）、线缺陷（孪晶界、位错）、面缺陷（堆垛层错、小角度晶界）和光学特性、化学特性（能级分裂图）、电子结构（能带、态密度、电荷密度分布）、
【参考文献】：
期刊论文
[1]拉应力条件下微弧氧化膜对铝合金腐蚀及电化学行为的影响[J]. 花天顺,宋仁国,宗玙,蔡思伟,王超. 中国表面工程. 2019(03)
[2]焊后热处理对Al-Mg-Zn（-Sc-Zr）合金焊丝焊接7075铝合金焊接接头组织和性能的影响[J]. 熊斯,唐鑫,王春霞,胡清华. 材料导报. 2019(16)
[3]7020超高强铝合金的应力腐蚀行为研究[J]. 罗先甫,查小琴,刘晓勇,张文利. 材料保护. 2019(06)
[4]晶粒组织对Al-Zn-Mg合金抗应力腐蚀性能的影响[J]. 叶凌英,姚学彬,唐建国,李红萍,张新明. 中南大学学报(自然科学版). 2019(05)
[5]Effect of Mo Addition on Corrosion Behavior of High-Entropy Alloys CoCrFeNiMox in Aqueous Environments[J]. Xu-Liang Shang,Zhi-Jun Wang,Qing-Feng Wu,Jin-Cheng Wang,Jun-Jie Li,Jia-Kang Yu. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2019(01)
[6]SiCp/Al-5Mg复合焊丝焊接7075铝合金TIG焊接工艺及接头组织性能分析[J]. 胡清华,张义福,熊斯,唐鑫. 稀有金属. 2019(10)
[7]Cu掺杂6000系铝合金中β?相的第一性原理研究[J]. 温柏杨,贾志宏,吴小志,刘庆. 中国有色金属学报. 2018(10)
[8]Effect of O–O bonds on p-type conductivity in Ag-doped ZnO twin grain boundaries[J]. 吴静静,唐鑫,龙飞,唐壁玉. Chinese Physics B. 2018(05)
[9]7A04铝合金应力腐蚀敏感性及裂纹萌生与扩展行为[J]. 杜娟,田辉,陈亚军,王付胜,陈翘楚,褚弘. 材料工程. 2018(04)
[10]高强铝合金中间相Al2Cu,Al2CuMg和MgZn2性能的第一性原理计算[J]. 廖飞,范世通,邓运来,张劲. 航空材料学报. 2016(06)
博士论文
[1]电子功函数的计算及其在材料表面电化学问题研究中的应用[D]. 王健.中国科学技术大学 2016
硕士论文
[1]7000系铝合金中主要合金元素对其性能及微观组织的影响[D]. 刘萍.湖南大学 2013
[2]少量Si、Ag、Li对低Cu/Mg比Al-Cu-Mg合金微观组织结构与性能的影响[D]. 王诗勇.中南大学 2009
本文编号：3590978
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