金屬間化合物Al3(Cu2)Mg9Si7和Al3X(X=Sc,RE)的彈性性能及溫度依賴的理論研究.pdf

1、作為輕質結構材料的代表，鋁合金耐腐蝕，易于加工，可回收利用且成本較低，在航空和汽車制造領域有著更為廣闊的應用前景。盡管鋁合金具有眾多優(yōu)異的性能，但總體強度低且不耐高溫，這極大的限制了其進一步的應用。隨著科技的發(fā)展和新材料的不斷出現(xiàn)，人們對鋁合金材料性能的要求越來越高，發(fā)展具有高強和耐熱性能鋁合金已經成為當今鋁行業(yè)的兩個基本趨勢。
　　彈性性能是固體材料最基本最重要的力學性能。它不僅能直接表征材料抵抗外加應力的能力，而且也能間接的反

2、映材料的延展性，脆性，硬度，剛性等其它力學性能。通過對相關鋁合金的彈性性能的研究，可以進一步了解其內在強化機理和耐熱機制，進而為優(yōu)化設計新型的高強耐熱鋁合金提供理論指導.
　　本文首先通過第一性原理計算對6xxx系Al-Mg-Si-(Cu)合金中Q相和B'相的彈性性能進行系統(tǒng)的對比研究，從幾何結構，彈性模量，電子結構等多角度詳細討論了Cu對Al-Mg-Si合金力學性能的強化機制。此外，通過第一性原理計算結合準簡諧近似對具有L12構

3、型的Al3Sc和Al3RE(RE=Er,Tm，Yb，Lu)的高溫彈性性能進行了預測，并結合相關的熱力學函數(shù)對它們的熱性質進行了研究，闡明了相關性能隨溫度變化的規(guī)律。
　　運用基于密度泛函理論的從頭計算對Q相Al3Cu2Mg9Si7和B'相Al3Mg9Si7的結構，彈性性質，電子結構和熱力學性質。結果表明當B'相摻入Cu原子變成Q相時，其晶格常數(shù)c增加而a卻反常的減小。計算的形成能表明Q相的穩(wěn)定性要優(yōu)于B'相，計算的Q相的彈性常數(shù)除

4、了C13外均比B'相大。此外，Q相的體模量、剪切模量、楊氏模量和德拜溫度都要高于B'相，表明Q相具有好的力學強度。通過不同的方法研究了兩相的各向異性，結果表明B'相的各向異性程度強于Q相。從電子結構上發(fā)現(xiàn)兩種相都是呈現(xiàn)帶有離子性的共價鍵特征。特別的，Cu-Si間強烈的共價鍵從微觀上解釋了Q相具有好的熱力學穩(wěn)定性和優(yōu)異的彈性性能的原因。
　　通過第一性原理計算結合準簡諧近似的模型對Ll2結構Al3Sc的熱彈性和相關的熱性質進行了研究

5、。計算結果表明，Al3Sc的彈性性能隨溫度增加的軟化趨勢比較柔和，說明Al3Sc的彈性熱阻性能優(yōu)異，是潛在的高溫鋁合金材料;計算的彈性各向異性表明Al3Sc隨溫度的增加開始呈現(xiàn)一定程度的各向異性;Al3Sc相關的熱性質包括熱平衡體積V,等溫體模量BT，線膨脹系數(shù)αL，等容熱容CV和等壓熱容CP也被研究，結果表明Al3Sc的這些相關熱性質隨溫度的變化趨勢更為緩慢，與純Al相比更加耐熱。電子結構的研究表明熱穩(wěn)定性好的Al-Sc共價鍵是Al3

6、Sc熱性質和熱彈性性能隨溫度溫和變化的內因。
　　通過第一性原理計算結合密度泛函微擾理論和準簡諧近似研究了0K-900K下Ll2 Al3RE(RE=Er，Tm，Yb，Lu)的熱性質和熱彈性性質。計算的不同Al3RE相的熱平衡體積，等溫體模量，格林奈森系數(shù)隨溫度升高呈現(xiàn)類似的變化趨勢，且大小順序與RE元素的原子半徑相關。計算的四種Al3RE相的熱膨脹系數(shù)和熱容的值是非常接近，難以區(qū)分。計算的晶格失配度隨溫度降低，表明Al3RE的相干