AlMg合金中含Er相的熱力學(xué)計(jì)算研究.pdf

1、稀土元素具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì),添加到鋁合金中能起一些有益作用,已成為鋁合金中常用的微合金化元素。稀土?xí)绊戜X合金的相變過程,但稀土鋁合金系統(tǒng)及形成相的基本熱力學(xué)數(shù)據(jù)極不完整。本文全面收集和整理二元基礎(chǔ)熱力學(xué)數(shù)據(jù),并通過計(jì)算分析來完善相關(guān)的鋁合金系統(tǒng)以及鋁稀土相的熱力學(xué)計(jì)算方法和基礎(chǔ)熱力學(xué)參數(shù)。 采用Miedema半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的物性參數(shù)和設(shè)定的常數(shù)來計(jì)算合金系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)的方法,由于稀土元素具有不同于其它合金元素

2、的性質(zhì),在計(jì)算鋁稀土二元合金系統(tǒng)形成焓時(shí)就會(huì)有較大的誤差。因此,本研究依據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道的鋁稀土金屬間化合物的形成焓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析了Miedema模型的參數(shù)取值原理。針對(duì)稀土原子尺寸等特點(diǎn),討論了鋁稀土金屬間化合物的形成焓計(jì)算值所產(chǎn)生誤差的原因,并由此對(duì)Miedema計(jì)算模型進(jìn)修正。常見的部分鋁稀土金屬間化合物形成焓數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值和MTDATA熱力學(xué)計(jì)算軟件(英國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā))的計(jì)算值作為對(duì)應(yīng)計(jì)算研究,驗(yàn)證了修正計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。綜

3、合分析Miedema計(jì)算模型修改前后的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)值之間的誤差范圍,結(jié)果顯示修改后模型的計(jì)算誤差從36％減小到5％?；谘芯克岢龅男拚?jì)算模型還推測(cè)了文獻(xiàn)資料未報(bào)到的一些鋁稀土金屬間化合物在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的形成焓,作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)。 稀土元素具有相似的電子構(gòu)型,且處于周期表中同一族系,這種特殊位置使之具有的電子能級(jí),離子半徑,原子半徑等一般僅呈現(xiàn)微小而近乎連續(xù)的變化,推測(cè)與鋁元素形成的相同類型的金屬間化合物的性質(zhì)差別

4、也不是很大；但是,稀土元素所具有的d和f電子會(huì)在形成金屬間化合物時(shí)起到相應(yīng)的作用,本研究從元素相互作用成鍵的機(jī)理出發(fā),計(jì)算分析了Al3Sc,Al3Ce,Al3La,Al3Nd的形成吉布斯自由能和形成焓等熱力學(xué)函數(shù)隨溫度變化的規(guī)律。進(jìn)一步計(jì)算討論分析鋁合金中稀土元素的固溶度等性質(zhì),研究了固溶度和Al3RE的形成吉布斯自由能、A1-RE相互作用能以及溫度之間的關(guān)系。Er和Al所形成的金屬間化合物Al3Er相,與A1基體保持共格關(guān)系,熔點(diǎn)(1

5、340K)高于鋁合金基體的熔點(diǎn),隨著溫度降低,在熔體凝固過程中會(huì)優(yōu)先彌散析出,作為后續(xù)凝固時(shí)的異質(zhì)形核核心,使結(jié)晶核數(shù)目增加,并抑制晶粒長(zhǎng)大,進(jìn)而使晶粒得到細(xì)化?；谟?jì)算出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),用zhang模型和Toop模型計(jì)算了接近實(shí)用的三元系鋁鎂合金Al-Mg-Sc和Al-Mg-Er系統(tǒng)的形成焓,討論分析了微量的Sc和Er對(duì)Al-5Mg合金系統(tǒng)形成焓的影響。結(jié)果說明隨著微合金元素Sc和Er的量的增加,Al-5Mg合金系統(tǒng)的形成焓往負(fù)方向變化。

6、用交互作用強(qiáng)度關(guān)系式計(jì)算Al-Mg-Er和Al-Mg-Sc兩個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)二元合金元素的相互作用強(qiáng)度,說明Al-Sc和Al-Er的相互作用強(qiáng)度遠(yuǎn)大于Mg-Sc和Mg-Er的相互作用強(qiáng)度；這表明稀土元素應(yīng)當(dāng)是優(yōu)先與鋁合金元素結(jié)合,所以,在所研究的鋁鎂合金系統(tǒng)中一般只能形成鋁鎂相和鋁稀土相。 基于鋁鎂合金中復(fù)合添加Zr,Sc的合金體系中形成Al3(ScxZr1-x)三鋁化合物復(fù)合相粒子,本文通過熱力學(xué)計(jì)算研究結(jié)果表明,Zr原子部分代替