轻质铝合金纳米结构稳定性及力学行为的第一性原理研究

论文摘要

铝（Al）合金由于其具有质量轻、比强度高、抗腐蚀、抗疲劳、耐磨损、耐冲击、成形性好、无毒性、无磁性、可回收再利用等优异的性能,被广泛应用在航空航天、高铁、汽车、建筑、船舶、自动化、电子设备、军工以及3D打印等重要领域。随着现代科技水平快速发展,对高性能铝合金的要求也越来越高,寻求新一代高强高韧铝合金是材料界一直努力的研究方向,也是我国铝合金材料从低端迈向高端的关键所在。然而,面心立方（FCC）Al金属层错能非常高,难以产生形变孪晶,限制了Al合金往高强高韧的方向发展。固溶强化是提高金属材料弹塑性力学性能的主要方式之一,在Al合金中添加适当合金元素而导致强韧化是提高其力学性能的有效方式。实验上在Al合金中进行合金元素掺杂,其过程复杂,实验条件难以控制,且成本昂贵,研发周期长。随着现代计算材料科学发展,不仅克服了复杂实验条件和高研发成本等缺点,而且可以揭示实验中无法观测到的现象和机理。本文开展Al合金纳米结构稳定性和力学行为的理论研究可以为制备和设计高性能Al合金提供重要的理论依据和有价值的科学指导。基于密度泛函理论第一性原理计算方法可以精确地计算和模拟材料的各种力学性能,是一种研究材料性能的有效工具。本文采用第一性原理计算方法研究合金元素对Al合金中纳米结构稳定性、表面特性以及层错与孪生变形的影响规律和物理机制。计算了溶质原子与纳米结构、不同表面以及层错与孪晶之间的相互作用能,并进一步分析了溶质原子的偏析行为。结合均匀分布、费米-狄拉克分布、类高斯分布、波尔茨曼分布等溶质原子在Al基体中的分布模型,系统研究了溶质浓度和温度对Al合金中长周期结构的固有层错能、孪晶界能、表面能以及孪生能力参数等相关力学性能的影响规律,揭示了合金元素在Al合金中所扮演的重要角色,并获得了一系列的研究结论与研究成果。本论文主要研究工作和研究成果归纳如下:（1）建立了9R相超晶胞理论模型,通过第一性原理计算方法研究了溶质原子（Cu,Fe,Ga,Ge,Li,Mg,Sc,Si,Sn,Sr,Ti,Y,Zn）对高性能Al合金中9R相稳定性的影响,计算了溶质原子与9R相之间的相互作用能,基于均匀分布和费米-狄拉克分布模型,讨论了溶质原子浓度和有限温度对9R相结构中固有层错能增量的影响,结果表明高浓度溶质原子（Ga,Ge,Sc,Si,Sn,Sr,Y）能显著降低9R相的固有层错能,从而促进9R相的稳定,而且这些溶质原子对促进9R相稳定性的排序依次为:Sr>Y>Sn>Ge>Si>Sc>Ga,其中,电荷密度图也验证了Sr原子具有最好的促进效果,但是其他溶质原子（Cu,Fe,Li,Mg,Ti,Zn）却抑制了9R相的稳定,且高温也会抑制了9R相的稳定。（2）建立了9R,12R,15R和18R相四种长周期结构理论模型,采用第一性原理计算方法探索了Al合金中12R,15R和18R相长周期结构的存在及稳定机制,并与9R相结构进行比较。基于类高斯完全随机分布模型,系统性研究了溶质原子（Cu,Fe,Ga,Ge,Li,Mg,Sc,Si,Sn,Sr,Ti,Y,Zn）对这些长周期结构稳定性的影响机制,并计算了溶质原子与长周期结构之间的相互作用能,研究结果表明在不同的长周期结构中溶质原子的偏析行为表现不同的特征,溶质原子Ga,Ge,Si,Sn,Sr,Y倾向于偏析至这些结构的层错面上。相对于其它相结构,Sr原子最容易促进15R相结构的稳定。高溶质原子浓度有利于促进这些长周期结构的稳定,但高温却抑制了它们的稳定。对于不同结构相稳定性的促进能力,溶质原子表现出不同的特性,在9R和12R相中,Sr>Y>Sn>Sc;而在15R和18R相中,Sr>Y>Sc>Sn。其相关研究为开发具有长周期结构高性能Al合金提供了重要理论依据。（3）建立了五种多层纳米孪晶结构（4,6,8,10和12Lnt）的理论模型,研究了在有限温度下溶质原子（Sr,Y,Sn,Ge,Sc,Si,Fe,Ti,Cu,Ga,Zn,Mg,Li）对Al合金中纳米孪晶结构稳定性的影响机制。计算了纯Al的纳米孪晶能以及溶质原子与多层纳米孪晶之间的相互作用能,研究结果表明在纯Al中6Lnt纳米孪晶结构最稳定。基于均匀分布和费米-狄拉克分布模型,研究了溶质原子浓度和有限温度对孪晶界能的影响,发现在两种分布模型中,溶质原子Sr,Y,Sn,Ge,Sc,Si均能显著地降低孪晶界能,而这些原子Fe,Ti,Cu,Ga,Zn,Mg,Li在均匀分布模型中会增加孪晶界能,而且高温也能增加孪晶界能,说明高温会抑制纳米孪晶的稳定性。特别地,溶质原子Y和Sr在T=900K情况下也能显著地降低孪晶界能,有利于促进纳米孪晶的稳定性。该工作有利于指导实验在Al合金中获得大量的纳米孪晶,从而提高Al合金的力学性能。（4）由于实验上很难测量金属材料在有限温度下的表面能,因此,无法获得金属材料的表面特性。为此,提出了一种第一性原理计算方法来评估有限温度对Al合金表面能的影响。计算了不同温度下（100）,（110）,（111）和（112）四个晶面的表面能,以及溶质原子（Cu,Mg,Li,Sn）与这些表面之间的相互作用能,基于均匀分布模型,研究了溶质原子对不同晶面上表面能的影响。研究结果表明有限温度对纯Al四个晶面的表面能影响非常小,在相对高溶质浓度下,Sn原子能显著地降低四个晶面上的表面能,这明显地增加了形成一个新表面的概率,从而产生更多的微裂纹。然而,Cu原子能轻微地增加（100）和（111）面的表面能,故而会抑制这两个晶面上的微裂纹形核。同时,在Al合金中,（111）面的表面能最低,因此,微裂纹倾向于沿着（111）面形核。该工作有利于探索有限温度下Al合金的表面特性以及微裂纹形核机制。（5）建立了间隙原子（C和H）掺杂在Al固溶体中四面体和八面体中心位置的超晶胞理论模型,研究了C和H原子对Al固溶体孪生塑性变形的影响,比较了C和H原子在四面体和八面体中心的相对稳定性以及对纯Al固溶体GPFE曲线的影响规律,并计算了间隙原子处在不同原子层时与广义层错之间的相互作用能。基于改进的三大孪生判据,并结合UFD分布模型,分析了间隙原子浓度对孪生能力参数的影响规律。研究结果表明在Al固溶体中,C的原子占位形式是存在于八面体中心,而H的原子占位形式是存在于四面体中心。C和H原子都能有效地降低位错形核的最低能垒,从而促进位错形核,但稳定层错能增加容易导致位错运动受阻。而且,C比H原子更容易促进位错形核。此外,高浓度的C和H原子会抑制裂纹尖端和晶界处的孪生变形,降低裂纹尖端和晶界上的塑性力学性能,从而有可能会导致裂纹尖端和晶界上微裂纹出现脆性扩展,甚至断裂,而且,C比H原子更容易在裂纹尖端和晶界上引起脆性断裂。但是,C和H原子对Al固溶体晶粒内部的孪生变形几乎没有影响。（6）建立了稀土元素（RE=Ce,Dy,Er,Ho,La,Tb,Yb）掺杂在Al超胞中不同原子层时的理论模型,研究了稀土元素对Al合金孪生塑性变形的影响,分析了稀土原子掺杂在第一近邻层时对纯Al固溶体GPFE曲线的影响规律,并计算了稀土原子处在不同原子层时与广义层错之间的相互作用能。基于改进的三大孪生判据,并结合UFD分布模型,进一步分析了稀土原子浓度对孪生能力参数的影响规律。研究结果表明稀土元素可以有效降低位错形核与运动的最低能垒,增加位错形核率和位错运动,从而增强Al合金的塑性力学性能,且La和Ce原子对促进位错形核与运动均具有显著的效果。同时,Ce和La原子都能促进裂纹尖端处孪生变形,且Ce比La原子更容易促进裂纹尖端处孪生变形,提高裂纹尖端的塑性力学性能。而在晶界处,除了La原子,其余稀土原子都不同程度地抑制了晶界处的孪生变形,使晶界处容易发生脆性断裂,但高浓度的La原子有利于促进晶界处孪生变形,提高晶界的塑性力学性能。此外,稀土原子（Dy,Er,Ho,La,Tb,Yb）对晶粒内部的孪生变形几乎没有影响,但Ce原子在5%～7.1%浓度范围内,会极大地促进晶粒内部的孪生变形,随着浓度再次增加,其孪生变形能力会随之下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 铝合金研究背景及意义
•   1.2 铝合金塑性变形机制
•     1.2.1 面心立方晶体中的位错运动
•     1.2.2 面心立方晶体中的孪生变形
•   1.3 国内外研究现状概述
•     1.3.1 铝合金研究现状
•     1.3.2 铝合金纳米结构研究现状
•     1.3.3 铝合金合金化研究现状
•   1.4 本论文的研究目的和内容
•     1.4.1 研究目的
•     1.4.2 研究内容
•   1.5 本论文的主要创新点
• 第2章 量子力学理论与计算方法
•   2.1 量子力学基本原理及假设近似
•     2.1.1 固体的薛定谔方程
•     2.1.2 绝热近似（Born-Oppenheimer）
•     2.1.3 单电子近似（Hartree-Fock）
•   2.2 密度泛函理论
•     2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
•     2.2.2 Kohn-Sham方程
•     2.2.3 交换关联泛函
•       2.2.3.1 局域密度近似（LDA）
•       2.2.3.2 广义梯度近似（GGA）
•   2.3 平面波-赝势方法
•   2.4 软件包概述
•     2.4.1 CASTEP简介
•     2.4.2 VASP简介
•   2.5 本章小结
• 第3章 高性能铝合金中长周期结构的稳定机制
•   3.1 引言
•   3.2 溶质原子对9R相稳定性的影响
•     3.2.1 理论模型与计算方法
•       3.2.1.1 理论模型
•       3.2.1.2 计算方法
•     3.2.2 结果与讨论
•       3.2.2.1 溶质原子的形成焓及与9R相之间的相互作用能
•       3.2.2.2 溶质原子浓度对9R相固有层错能增量的影响
•       3.2.2.3 有限温度对9R相固有层错能增量的影响
•       3.2.2.4 溶质浓度和有限温度对9R相固有层错能增量的共同影响
•       3.2.2.5 溶质原子在9R相结构中的局部电荷密度图
•   3.3 高性能铝合金中长周期结构的稳定机制
•     3.3.1 理论模型与计算方法
•       3.3.1.1 理论模型
•       3.3.1.2 计算方法
•     3.3.2 结果与讨论
•       3.3.2.1 溶质原子与长周期结构之间的相互作用能
•       3.3.2.2 有限温度下熵对相互作用能的影响
•       3.3.2.3 溶质原子浓度对mR相固有层错能增量的影响
•       3.3.2.4 有限温度对mR相固有层错能增量的影响
•       3.3.2.5 溶质浓度和有限温度对mR相固有层错能增量的共同影响
•   3.4 本章小结
• 第4章 有限温度下Al合金中多层纳米孪晶的稳定机制研究
•   4.1 引言
•   4.2 理论模型与计算方法
•     4.2.1 理论模型
•     4.2.2 计算方法
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 孪晶间距对孪晶界能的影响
•     4.3.2 溶质原子在Al合金中的固溶形成焓
•     4.3.3 溶质原子与纳米孪晶之间的相互作用能
•     4.3.4 溶质浓度对孪晶界能增量的影响
•       4.3.4.1 UFD模型下溶质浓度对孪晶界能增量的影响
•       4.3.4.2 FDD模型下溶质浓度对孪晶界能增量的影响
•     4.3.5 有限温度对孪晶界能增量的影响
•     4.3.6 溶质浓度和有限温度对孪晶界能增量的共同影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 有限温度对Al合金表面能的影响
•   5.1 引言
•   5.2 理论模型与计算方法
•     5.2.1 理论模型
•     5.2.2 计算方法
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 纯Al中有限温度对表面能的影响
•     5.3.2 有限温度对溶质原子与表面间相互作用能的影响
•     5.3.3 溶质浓度对表面能的影响
•     5.3.4 溶质浓度和有限温度对表面能的共同影响
•   5.4 本章小结
• 第6章 合金元素对Al合金孪生塑性变形的影响机制研究
•   6.1 引言
•   6.2 间隙原子（C和H）对Al合金孪生塑性变形的影响
•     6.2.1 理论模型和计算方法
•       6.2.1.1 理论模型
•       6.2.1.2 计算方法
•     6.2.2 结果与讨论
•       6.2.2.1 间隙原子位于四面体和八面体中心的相对稳定性对比
•       6.2.2.2 间隙原子对广义平面层错能GPFE曲线的影响
•       6.2.2.3 间隙原子处在第n层时与层错之间的相互作用能
•       6.2.2.4 间隙原子浓度对Al合金孪生变形的影响
•   6.3 稀土元素对Al合金孪生塑性变形的影响
•     6.3.1 理论模型和计算方法
•       6.3.1.1 理论模型
•       6.3.1.2 计算方法
•     6.3.2 结果与讨论
•       6.3.2.1 稀土元素对广义平面层错能GPFE曲线的影响
•       6.3.2.2 稀土原子处在第n层时与层错之间的相互作用能
•       6.3.2.3 稀土原子浓度对Al合金孪生变形的影响
•   6.4 本章小结
• 总结与展望
•   总结
•   展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录 B 攻读博士学位期间参加的主要科研项目
• 附录 C 参加的学术会议及获得的奖励

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王志鹏

导师: 方棋洪

关键词: 铝合金,长周期结构,纳米孪晶,表面能,层错能,孪生能力,溶质原子,稳定性,第一性原理计算

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学,金属学及金属工艺

单位: 湖南大学

分类号: TB383.1;TG146.21;O469

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.003548

总页数: 122

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