鋁合金中關(guān)鍵二元、三元體系熱力學(xué)和彈性性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)和計算研究.pdf

1、當(dāng)今材料界普遍認(rèn)識到材料設(shè)計與材料合成的耦合是高效制備新材料的最佳途徑,而對材料性能的預(yù)測是材料設(shè)計的核心。材料性能預(yù)測已成為一門系統(tǒng)性、綜合性和理論性很強(qiáng)的學(xué)科,同時它也是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料和先進(jìn)材料性能重大突破的關(guān)鍵之一。精確的熱力學(xué)和彈性性質(zhì)是設(shè)計材料所需的兩種重要物性參數(shù),而當(dāng)前國際上缺乏對鋁基合金體系熱力學(xué)和彈性性質(zhì)的系統(tǒng)研究。
　　本論文以多組元商業(yè)鋁合金體系為研究對象,力求為建立一個基于關(guān)鍵實(shí)驗(yàn),相圖熱力學(xué)和第一原理計算的

2、熱力學(xué)和彈性性質(zhì)的自洽的鋁合金數(shù)據(jù)庫奠定基礎(chǔ)。本工作的總體思路是:首先集成關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)、計算相圖(CALPHAD,CALculation of PHAase Diagram)與第一原理計算方法來獲得多組元鋁合金中兩個關(guān)鍵三元系A(chǔ)l-Mg-Mn和Cu-Si-Zn體系精準(zhǔn)的相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫;然后使用第一原理計算研究多組元鋁合金體系中含鋁化合物在OK和有限溫度下的熱力學(xué)性質(zhì),并預(yù)測含鋁化合物的彈性性質(zhì)和合金元素對鋁的彈性性質(zhì)的影響。本工作建立了一

3、種綜合考慮關(guān)鍵實(shí)驗(yàn),相圖熱力學(xué)和第一原理計算方法對多組元鋁合金體系的熱力學(xué)和彈性性質(zhì)進(jìn)行精確描述的研究方法。該方法對其它多元合金體系的熱力學(xué)和彈性性質(zhì)的研究提供了一種可借鑒的方法。本研究工作取得以下重要成果:
　　(1)由于λ-Al4Mn的形核障礙,文獻(xiàn)中關(guān)于λ-Al4Mn熔化行為的報道一直有爭議。本工作利用精確設(shè)計的靜態(tài)法和動態(tài)法相結(jié)合的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)重新研究了Al-Mn體系富Al端的相平衡,首次明確了λ-Al4Mn的熔化行為,而且發(fā)

4、現(xiàn)了兩個新的零變量平衡。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),將Al8Mn5的亞點(diǎn)陣模型由Al12Mn4(Al,Mn)10修改為Al12Mn5(Al,Mn)9,同時也給出Al11Mn4的高溫相的熱力學(xué)模型。在考慮當(dāng)前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和可靠的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,獲得了能夠精確描述Al-Mn和Al-Mg-Mn體系相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)的熱力學(xué)參數(shù)。計算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明,本工作的熱力學(xué)參數(shù)能夠很好地描述幾乎所有的合理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　(2)多組元Al合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫中Υ

5、相模型的兼容性問題限制了Al合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)的應(yīng)用。為了使Cu-Si-Zn體系的熱力學(xué)描述與已有的多組元Al合金數(shù)據(jù)庫相匹配,使用了新的亞點(diǎn)陣模型(Zn)4(Cu,Zn)1(Cu,Zn)8來描述Cu-Zn體系的丫相,并重新優(yōu)化了Cu-Zn體系的熱力學(xué)參數(shù)。使用15個關(guān)鍵合金研究了Cu-Si-Zn體系600℃等溫截面。本實(shí)驗(yàn)測定了5個三相區(qū),沒有發(fā)現(xiàn)三元化合物。澄清了文獻(xiàn)中關(guān)于600℃時富Cu角α,β,Υ-Cu5Zn8和κ-Cu7Si之間相

6、關(guān)系的爭議?；诒竟ぷ鞯玫降腃u-Zn體系熱力學(xué)參數(shù),結(jié)合文獻(xiàn)中的和本工作的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),使用CALPHAD方法重新優(yōu)化了Cu-Si-Zn體系,獲得了一套可以在482到847℃溫度范圍內(nèi)和整個成分范圍內(nèi)合理描述該體系相圖的熱力學(xué)參數(shù)。
　　(3)使用第一原理計算預(yù)測了Al基化合物的能量-體積關(guān)系(物態(tài)方程),形成焓和彈性常數(shù)?；陬A(yù)測的彈性常數(shù),研究了每個化合物的穩(wěn)定性(波恩判據(jù))及多晶內(nèi)聚性質(zhì),如體模量、剪切模量、B/G比率和各向異

7、性比率等。計算得到的絕大部分化合物的形成焓與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合,并和Al基多組元熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫相一致。計算的單晶和多晶彈性性質(zhì)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相吻合。本工作系統(tǒng)地給出了Al基化合物的能量基準(zhǔn)和彈性性質(zhì),為A1合金設(shè)計提供了重要的物性參數(shù)。
　　(4)基于第一原理計算,在準(zhǔn)諧近似下,考慮晶格振動和價電子熱激發(fā)對能量的貢獻(xiàn),系統(tǒng)研究了在工業(yè)中非常重要的鋁基合金化合物的熱力學(xué)性質(zhì)。計算得到的熱力學(xué)性質(zhì)和文獻(xiàn)中報道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相圖熱力學(xué)計算結(jié)果符合較好

8、。同時發(fā)現(xiàn)CALPHAD方法中常用于描述化合物熱容Cp的Neumann-Kopp定律對很多體系并不適合,因此需要改進(jìn)CALPHAD方法中部分化合物Cp的描述。本工作預(yù)測的熱力學(xué)性質(zhì)為更精確的鋁合金體系熱力學(xué)模擬提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
　　(5)文獻(xiàn)中沒有合金元素對Al的彈性性質(zhì)影響的系統(tǒng)報道。本工作使用第一原理計算研究了15種合金元素對Al的彈性性質(zhì)的影響。計算得到的晶格常數(shù)、局域晶格畸變和彈性常數(shù)與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。基于得到的彈