溶质原子对镁熔体中异质形核基底的作用机制研究

发布时间：2017-09-04 00:15

  本文关键词：溶质原子对镁熔体中异质形核基底的作用机制研究

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【摘要】：镁合金是目前最轻的结构材料之一,具有比强度高、比刚度高和阻尼性能好等众多优点,在航空航天、电子工业、汽车等领域得到了广泛的应用。然而,镁合金的晶体结构为密排六方,滑移系少,决定了其塑性变形能力差,这在一定的程度上制约了其应用与发展。晶粒细化可以有效的改善合金综合性能。其中碳质细化法被认为是最有应用和发展潜力的细化方法。但是,碳质细化方法很容易受到合金中杂质元素Fe(Mn)的影响。现有关于Fe(Mn)元素对镁合金碳质细化的影响机制研究结论相互矛盾。本文以AZ91合金为实验材料,对不同Mn含量的合金进行碳质细化处理,从实验的角度研究Mn元素对镁合金碳质细化的影响机制。同时采用第一性原理方法从原子尺度上研究Fe(Mn)原子对Al4C3表面结构的影响。通过实验研究和理论计算相结合的方法揭示Fe(Mn)元素对镁合金碳质细化的影响机制,为将来开发出有效碳质细化剂提供理论依据。通过向AZ91D合金中添加不同含量的Mn和碳质细化剂,采用多种分析测试手段观察晶粒尺寸大小和异质相的形貌。研究发现,在低含量Mn时,碳质细化方法能有效的细化镁合金晶粒。而当Mn含量超0.28wt.%,会随着Mn含量增加,镁合金晶粒会不断的粗化。通过SEM、EDS分析,可判定合金中的异质相是一种Al-C相和Al-Mn相的复合相。推测认为Al-Mn相吸附于Al-C相上,从而改变Al-C相的表面结构,形成Al-C-Mn三元化合物,从而降低了Al-C化合物的异质形核能力,最终导致Mg晶粒的粗化。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法模拟了Fe(Mn)在Al4C3(0001)表面的吸附行为。根据对吸附能大小的比较确定,在Al-终止表面,三重空位H1位置是最佳的稳定吸附位置；在C-终止表面上,H'2为最稳定的吸附位置。通过热力学稳定性分析可知,Fe(Mn)在C-终止表面吸附体系的稳定性要比Fe(Mn)在Al-终止表面吸附体系稳定性好,并且低覆盖下吸附体系稳定性比高覆盖下吸附体系好；对吸附体系的表面电子结构特征分析可知,Fe(Mn)在Al4C3(0001)表面上吸附属于化学吸附,在Al-终止表面上,Fe(Mn)与表面层的Al原子主要是以离子键的形式发生键合,而在C-终止表面上,Fe(Mn)与表面层的C原子主要是以极性共价键的形式发生键合。对吸附体系表面结构的分析可知,吸附了Fe(Mn)原子后,Al4C3(0001)表面层间距发生了巨大的变化,特别是表面的前三层,所以很可能Al4C3(0001)表面发生了重构。通过第一性原理计算可知,Fe(Mn)在Al4C3(0001)表面吸附属于化学吸附,表明Fe(Mn)能够与Al4C3相结合形成Al-C-Fe(Mn)化合物。并且Fe(Mn)元素的吸附会使Al4C3(0001)表面发生重构,从而影响Mg原子在Al4C3(0001)表面的堆垛。这刚好与实验结果相呼应,即过量Fe(Mn)溶质元素的存在会降低Al4C3的异质形核能力。
【关键词】：镁合金 碳质细化 第一性原理计算 溶质元素 表面吸附
【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】：TG292
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 Mg-Al系合金碳质细化的研究现状10-18
• 1.1.1 Mg-Al系合金碳质细化方法10-14
• 1.1.2 Mg-Al系合金碳质细化机理14-18
• 1.2 Fe(Mn)对Mg-Al系合金晶碳质细化的影响18-19
• 1.3 第一原理计算在表面吸附方面的研究现状19-21
• 1.3.1 第一性原理计算概述19-20
• 1.3.2 表面吸附方面的第一性原理研究20-21
• 1.4 本论文的研究目的和意义21
• 1.5 本论文主要研究内容21-23
• 1.5.1 课题的来源21-22
• 1.5.2 主要研究内容22-23
• 第2章 Mn对Mg-9Al合金碳质细化效果的影响实验研究23-38
• 2.1 实验研究方法23-29
• 2.1.1 实验材料23-24
• 2.1.2 实验设备24-25
• 2.1.3 实验方案25-26
• 2.1.4 实验工艺26
• 2.1.5 分析测试方法26-29
• 2.2 实验结果分析29-36
• 2.2.1 Mn对已变质处理的AZ91D合金的晶粒尺寸的影响29-31
• 2.2.2 含Al-Mn粒子的微观结构和成分分析31-35
• 2.2.3 Mn对AZ91D碳质细化影响机制的分析和讨论35-36
• 2.3 本章小结36-38
• 第3章 Mn在Al_4C_3(0001)表面吸附的第一性原理研究38-56
• 3.1 计算方法38-39
• 3.2 模型的建立39-41
• 3.3 Al_4C_3(0001)表面计算结果分析41-44
• 3.3.1 Al_4C_3(0001)表面能带结构、态密度分析41-43
• 3.3.2 Al_4C_3(0001)成键情况分析43-44
• 3.4 Mn/Al_4C_3(0001)吸附体系计算结果与分析44-54
• 3.4.1 Mn在Al_4C_3(0001)表面的吸附位置44-46
• 3.4.2 Mn在Al_4C_3(0001)表面稳定吸附位置的分析46-48
• 3.4.3 Mn/Al_4C_3(0001)吸附体系的稳定性分析48-49
• 3.4.4 Mn/Al_4C_3(0001)吸附体系电子结构分析49-53
• 3.4.5 Mn/Al_4C-3(0001)吸附体系结构分析53-54
• 3.5 本章小结54-56
• 第4章 Fe在Al_4C_3(0001)表面吸附的第一性原理研究56-69
• 4.1 计算方法56-57
• 4.2 吸附体系模型的建立57-59
• 4.3 计算结果分析59-66
• 4.3.1 稳定的吸附位置59-60
• 4.3.2 表面结构的变化60-62
• 4.3.3 吸附体系的稳定性62-63
• 4.3.4 吸附体系的电子结构分析63-66
• 4.4 Fe(Mn)对Al_4C_3形核能力的影响机制分析讨论66-67
• 4.5 本章小结67-69
• 第5章 结论与展望69-71
• 5.1 主要结论69-70
• 5.2 展望70
• 5.3 本论文的创新点70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-78
• 攻读学位期间的研究成果78

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