本文应用固体与分子经验电子理论(The Empirical Electron Theory In Solidand Molecule,简称为EET理论)研究了Ti、Zr、Sc对纯Al晶粒细化的机理。通过键距差方法(Bond Length Difference,简称为BLD方法)分别计算了纯Al、纯Ti、纯Zr、纯Sc、AlTi、AlZr、AlSc、Al3Ti、Al3Zr、Al3Sc的价电子结构和键能,经过计算发现往纯Al中加入微量的Ti、Zr或Sc能形成以Al3Ti、Al3Zr、Al3Sc相为主的细化相。纯Al、Ti和Al3Ti的单位晶胞内共价电子总数分别为2.53、2.55196、11.0024,,nAl3Ti)3nAl+nTi(Al3Zr和Al3Sc同样满足此不等式),所以在形成Al3Ti、Al3Zr、Al3Sc相时,Al3Ti、Al3Zr、Al3Sc作为异质核要吸收周围Al原子的价电子,此时异质核显负电性,周围的Al因失去价电子而显正电性。纯Al与Al3Ti、Al3Zr、Al3Sc相都是面心结构,有很好的共格关系,所以纯Al能在异质核上生长,从而达到细化效果。 在微量元素比较少的情况下,Ti的细化效果比Zr的好一些。Al3Ti分子中的最强键Al-Ti上的共价电子对数是0.399,Al3Zr分子中最强键Al-Zr键上的共价电子对数是0.30611,nAl-Ti)nAl-Zr,所以Ti比Zr与周围的Al结合的更紧密一些。Al3Ti分子与Al分子(111)面的电子面密度差为127.13％,Al3Zr分子与Al分子(111)面的电子面密度差是11.04％,△ρ(111)Al3Ti>△ρ(111)Al3Zr。电子面密度差越大越能阻止晶粒的长大,越能起到更好的细化效果,所以Ti对纯Al的细化效果比Zr对纯Al的细化效果好一些。Al3Sc分子与Al分子(100)面的电子面密度差为114.58778％,Al3Ti分子与Al分子(100)面的电子面密度差是49.5732％,△ρ(100)Al3Sc>△ρ(100)Al3Ti,所以Sc对纯Al的细化效果比Ti对纯Al的细化效果更好一些。Sc的原子半径0.164nm比Al的原子半径0.143nm大,对晶体中的位错运动能起到很好的钉扎作用,从而影响晶体的长大。可以得出Sc是比Ti、Zr更好一些的细化剂。
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