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(zhì)結(jié)構(gòu)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(lǐng)域有著更為廣闊的應(yīng)用前景。盡管鋁合金具有眾多優(yōu)異的性能，但總體強(qiáng)度低且不耐高溫，這極大的限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展和新材料的不斷出現(xiàn)，人們對(duì)鋁合金材料性能的要求越來越高，發(fā)展具有高強(qiáng)和耐熱性能鋁合金已經(jīng)成為當(dāng)今鋁行業(yè)的兩個(gè)基本趨勢(shì)。
　　彈性性能是固體材料最基本最重要的力學(xué)性能。它不僅能直接表征材料抵抗外加應(yīng)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(xué)性能。通過對(duì)相關(guān)鋁合金的彈性性能的研究，可以進(jìn)一步了解其內(nèi)在強(qiáng)化機(jī)理和耐熱機(jī)制，進(jìn)而為優(yōu)化設(shè)計(jì)新型的高強(qiáng)耐熱鋁合金提供理論指導(dǎo).
　　本文首先通過第一性原理計(jì)算對(duì)6xxx系A(chǔ)l-Mg-Si-(Cu)合金中Q相和B'相的彈性性能進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比研究，從幾何結(jié)構(gòu)，彈性模量，電子結(jié)構(gòu)等多角度詳細(xì)討論了Cu對(duì)Al-Mg-Si合金力學(xué)性能的強(qiáng)化機(jī)制。此外，通過第一性原理計(jì)算結(jié)合準(zhǔn)簡(jiǎn)諧近似對(duì)具有L12構(gòu)

3、型的Al3Sc和Al3RE(RE=Er,Tm，Yb，Lu)的高溫彈性性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并結(jié)合相關(guān)的熱力學(xué)函數(shù)對(duì)它們的熱性質(zhì)進(jìn)行了研究，闡明了相關(guān)性能隨溫度變化的規(guī)律。
　　運(yùn)用基于密度泛函理論的從頭計(jì)算對(duì)Q相Al3Cu2Mg9Si7和B'相Al3Mg9Si7的結(jié)構(gòu)，彈性性質(zhì)，電子結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明當(dāng)B'相摻入Cu原子變成Q相時(shí)，其晶格常數(shù)c增加而a卻反常的減小。計(jì)算的形成能表明Q相的穩(wěn)定性要優(yōu)于B'相，計(jì)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(xué)強(qiáng)度。通過不同的方法研究了兩相的各向異性，結(jié)果表明B'相的各向異性程度強(qiáng)于Q相。從電子結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)兩種相都是呈現(xiàn)帶有離子性的共價(jià)鍵特征。特別的，Cu-Si間強(qiáng)烈的共價(jià)鍵從微觀上解釋了Q相具有好的熱力學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的彈性性能的原因。
　　通過第一性原理計(jì)算結(jié)合準(zhǔn)簡(jiǎn)諧近似的模型對(duì)Ll2結(jié)構(gòu)Al3Sc的熱彈性和相關(guān)的熱性質(zhì)進(jìn)行了研究

5、。計(jì)算結(jié)果表明，Al3Sc的彈性性能隨溫度增加的軟化趨勢(shì)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(jì)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(guān)的熱性質(zhì)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(jié)果表明Al3Sc的這些相關(guān)熱性質(zhì)隨溫度的變化趨勢(shì)更為緩慢，與純Al相比更加耐熱。電子結(jié)構(gòu)的研究表明熱穩(wěn)定性好的Al-Sc共價(jià)鍵是Al3

6、Sc熱性質(zhì)和熱彈性性能隨溫度溫和變化的內(nèi)因。
　　通過第一性原理計(jì)算結(jié)合密度泛函微擾理論和準(zhǔn)簡(jiǎn)諧近似研究了0K-900K下Ll2 Al3RE(RE=Er，Tm，Yb，Lu)的熱性質(zhì)和熱彈性性質(zhì)。計(jì)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(shì)，且大小順序與RE元素的原子半徑相關(guān)。計(jì)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(jì)算的晶格失配度隨溫度降低，表明Al3RE的相干