金属间化合物Al3(Cu2)Mg9Si7和Al3X(X=Sc,RE)的弹性性能及温度依赖的理论研究

摘要

作为轻质结构材料的代表，铝合金耐腐蚀，易于加工，可回收利用且成本较低，在航空和汽车制造领域有着更为广阔的应用前景。尽管铝合金具有众多优异的性能，但总体强度低且不耐高温，这极大的限制了其进一步的应用。随着科技的发展和新材料的不断出现，人们对铝合金材料性能的要求越来越高，发展具有高强和耐热性能铝合金已经成为当今铝行业的两个基本趋势。
　　弹性性能是固体材料最基本最重要的力学性能。它不仅能直接表征材料抵抗外加应力的能力，而且也能间接的反映材料的延展性，脆性，硬度，刚性等其它力学性能。通过对相关铝合金的弹性性能的研究，可以进一步了解其内在强化机理和耐热机制，进而为优化设计新型的高强耐热铝合金提供理论指导.
　　本文首先通过第一性原理计算对6xxx系Al-Mg-Si-(Cu)合金中Q相和B'相的弹性性能进行系统的对比研究，从几何结构，弹性模量，电子结构等多角度详细讨论了Cu对Al-Mg-Si合金力学性能的强化机制。此外，通过第一性原理计算结合准简谐近似对具有L12构型的Al3Sc和Al3RE(RE=Er,Tm，Yb，Lu)的高温弹性性能进行了预测，并结合相关的热力学函数对它们的热性质进行了研究，阐明了相关性能随温度变化的规律。
　　运用基于密度泛函理论的从头计算对Q相Al3Cu2Mg9Si7和B'相Al3Mg9Si7的结构，弹性性质，电子结构和热力学性质。结果表明当B'相掺入Cu原子变成Q相时，其晶格常数c增加而a却反常的减小。计算的形成能表明Q相的稳定性要优于B'相，计算的Q相的弹性常数除了C13外均比B'相大。此外，Q相的体模量、剪切模量、杨氏模量和德拜温度都要高于B'相，表明Q相具有好的力学强度。通过不同的方法研究了两相的各向异性，结果表明B'相的各向异性程度强于Q相。从电子结构上发现两种相都是呈现带有离子性的共价键特征。特别的，Cu-Si间强烈的共价键从微观上解释了Q相具有好的热力学稳定性和优异的弹性性能的原因。
　　通过第一性原理计算结合准简谐近似的模型对Ll2结构Al3Sc的热弹性和相关的热性质进行了研究。计算结果表明，Al3Sc的弹性性能随温度增加的软化趋势比较柔和，说明Al3Sc的弹性热阻性能优异，是潜在的高温铝合金材料;计算的弹性各向异性表明Al3Sc随温度的增加开始呈现一定程度的各向异性;Al3Sc相关的热性质包括热平衡体积V,等温体模量BT，线膨胀系数αL，等容热容CV和等压热容CP也被研究，结果表明Al3Sc的这些相关热性质随温度的变化趋势更为缓慢，与纯Al相比更加耐热。电子结构的研究表明热稳定性好的Al-Sc共价键是Al3Sc热性质和热弹性性能随温度温和变化的内因。
　　通过第一性原理计算结合密度泛函微扰理论和准简谐近似研究了0K-900K下Ll2 Al3RE(RE=Er，Tm，Yb，Lu)的热性质和热弹性性质。计算的不同Al3RE相的热平衡体积，等温体模量，格林奈森系数随温度升高呈现类似的变化趋势，且大小顺序与RE元素的原子半径相关。计算的四种Al3RE相的热膨胀系数和热容的值是非常接近，难以区分。计算的晶格失配度随温度降低，表明Al3RE的相干性随温度增加得到改善。本章对Al3RE的热弹性性质做了详细的讨论。随着温度的升高，Al3RE的弹性常数和弹性模量都呈现出缓慢的下降趋势。在高温下依然能保持较高的弹性模量和硬度，证明Al3RE相是潜在的高温铝合金强化相。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 铝基合金概述

1．1．1 变形铝合金的分类及应用

1．1．2 高强铝合金的研究现状

1．1．3 耐热铝合金的研究现状

1．2 弹性性能概述

1．2．1 弹性性能的基本概念和内容

1．2．2 弹性性能的测量方法概述

1．3 高温弹性的理论研究

1．4 本论文研究意义和主要内容

参考文献

第二章 理论和计算方法

2．1 高温弹性常数计算

2．1．1 零温弹性常数的计算

2．1．2 一定温度下弹性常数的计算

2．2 密度泛函理论

2．2．1 基态能量

2．2．2 交换关联泛函

2．2．3 基组和赝势选择

2．3 相关计算软件包简介

2．3．1 VASP软件包

2．3．2 ATAT

2．3．3 PHONOPY

参考文献

第三章 Al-Mg-Si(-Cu)合金中B’相和Q相弹性性能、电子结构及热力学性质的理论研究

3．1 前言

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 晶体结构和热力学稳定性

3．3．2 弹性性能

3．3．3 弹性各向异性

3．3．4 德拜温度

3．3．5 电子结构

3．3．6 热力学性质

3．4 本章小结

参考文献

第四章 L12-Al3Sc相高温弹性性能的第一性原理研究

4．1 引言

4．2 理论与计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．2 零温下的弹性性能

4．3．2 声子谱

4．3．2 热力学性质

4．3．3 热弹性性能

4．3．4 电子结构

4．4 本章小结

参考文献

第五章 L12有序结构相Al3RE(RE=Er，Tm，Yb，Lu)的热性质和热弹性性质的第一性原理研究

5．1 引言

5．2 理论和方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 基态性质

5．3．2 热性质

5．3．2 热弹性性质

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 创新点

6．3 展望

附录

致谢

攻读博士期间参加的科研项目

攻读博士期间发表的论文