【摘要】：本文基于密度泛函理論的第一性原理,研究Al_2CuMg/Al界面的原子結(jié)構(gòu)、不同界面模型的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及界面的本質(zhì)電子相互作用,從原子層面分析探究鋁合金增強(qiáng)相的作用機(jī)理;實(shí)驗(yàn)上采用Ti、Nb和Ho合金化Al-Zn-Mg-Cu鋁合金,研究其對(duì)合金鑄態(tài)和均勻化態(tài)的微觀組織演變和力學(xué)性能的影響。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)基于前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,建立Al_2CuMg(001)/Al(021)界面模型。通過(guò)采用第一性原理方法,計(jì)算界面能和粘附功來(lái)比較CuMg和Al終端兩種界面模型的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果表明,CuMg終端的Al_2CuMg(001)表面與Al(021)表面之間形成的界面更加穩(wěn)定。計(jì)算電子結(jié)構(gòu)結(jié)果表明,CuMg終端界面更加穩(wěn)定的主要原因是此界面模型在界面原子Cu 3d、Mg 3p和Al 3p中存在很強(qiáng)的雜化。(2)采用OM、XRD、SEM和DSC等實(shí)驗(yàn)手段,研究添加Ti和Nb元素到Al-Zn-Mg-Cu合金后其鑄態(tài)和均勻化態(tài)微觀組織和相變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金組織主要是由Al基體和Mg(Zn,Al,Cu)_2固溶體共晶相組成。當(dāng)添加Ti和Nb到合金中形成具有D0_(22)結(jié)構(gòu)的Al_3Ti和Al_3Nb相,Ti和Nb主要以該相形式存在。這些合金在經(jīng)過(guò)380℃/24h均勻化處理后,均出現(xiàn)了Al_2CuMg相,該相主要是通過(guò)Mg(Zn,Al,Cu)_2固溶體轉(zhuǎn)變而成。(3)基于以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),合金化元素Ti和Nb在鋁合金中具有相似的作用,因此采用第一性原理和Rietveld精修方法研究Al_3Ti和Al_3Nb復(fù)合相的晶體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和力學(xué)性能。計(jì)算形成能的結(jié)果表明,所有的Al_3(Ti_(1-x)Nb_x)固溶體在熱動(dòng)力學(xué)上是穩(wěn)定的,而且隨著Nb濃度的升高穩(wěn)定性增強(qiáng)。計(jì)算的體模量、剪切模量、楊氏模量和泊松比結(jié)果也證實(shí)了Nb原子加入Al_3Ti后能提高其強(qiáng)度。計(jì)算的電子結(jié)構(gòu)分析也揭示了Al_3(Ti_(1-x)Nb_x)固溶體的金屬性隨著Nb原子濃度的升高而降低。使用Rietveld精修方法得到的結(jié)果表明,依靠Rietveld精修方法獲得的Al_3(Ti_(1-x)Nb_x)固溶體點(diǎn)陣參數(shù)a或c分別在3.85-3.86?和8.62-8.66?這樣的范圍內(nèi),這與本文計(jì)算值相吻合。(4)聯(lián)合XRD、SEM和DSC等實(shí)驗(yàn)手段,探究不同Ho含量對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金的微觀組織和力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,添加Ho元素能細(xì)化合金的晶粒。當(dāng)Ho元素含量為0.5 wt.%時(shí),晶粒細(xì)化效果是最好。鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金中主要由α-Al基體相和Mg(Zn,Al,Cu)_2相組成,加入稀土Ho后有Al_8Cu_4Ho相產(chǎn)生。添加適量的Ho元素能提高合金的抗拉強(qiáng)度和硬度,隨著Ho元素含量的不斷提高,合金的抗拉強(qiáng)度和硬度表現(xiàn)為升高后降低的趨勢(shì)。相對(duì)于其他Ho含量的合金來(lái)說(shuō),當(dāng)Ho元素含量為0.5wt.%時(shí),合金的力學(xué)性能是較好的,抗拉強(qiáng)度為156.9 MPa,顯微硬度為147.6 HV。(5)采用XRD、SEM和DSC等實(shí)驗(yàn)手段,以不含Ho和含Ho 0.5 wt.%和0.8 wt.%三種Al-Zn-Mg-Cu合金作為研究代表對(duì)象,研究不同均勻化時(shí)間和溫度對(duì)這些合金微觀組織演變和力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,含Ho 0.5 wt.%合金的均勻化處理時(shí)間定為24h最佳,均勻化溫度設(shè)定為465℃為宜。在未含Ho的鑄態(tài)合金經(jīng)過(guò)均勻化處理后,Mg(Zn,Al,Cu)_2固溶體在經(jīng)過(guò)465℃溫度下均勻化后逐步轉(zhuǎn)化為Al_2CuMg相;含有Ho鑄態(tài)合金中的Al_8Cu_4Ho相在均勻化處理后消失,多余的Ho進(jìn)入到Al_2Cu相形成固溶體,起到固溶強(qiáng)化的作用。(6)研究Al-Zn-Mg-Cu合金在熱壓縮變形過(guò)程中流變應(yīng)力與變形溫度、應(yīng)變速率之間的關(guān)系,且計(jì)算了各種Ho含量鋁合金的熱變形激活能和本構(gòu)方程。結(jié)果表明,流變應(yīng)力受變形溫度和應(yīng)變速率的影響顯著,隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的升高,流變應(yīng)力相應(yīng)增加。加入Ho元素合金的激活能均比不加入的要高,其中加入0.5 wt.%Ho時(shí),鋁合金的熱變形激活能最高,達(dá)到156.96 kJ/mol。采用Deform-3D模擬軟件對(duì)熱壓縮過(guò)程進(jìn)行模擬,等效應(yīng)變和等效應(yīng)力的變化規(guī)律與壓縮試驗(yàn)得出的結(jié)果基本相符。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG146.21
【圖文】：

鋁合金按照工藝特點(diǎn)的分類(lèi)情況

圖 1-2Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金發(fā)展歷程與方向[8]Fig.1-2 Development progress and trend of Al-Zn-Mg-Cu series aluminum alloys20 世紀(jì) 30 年代后期，日本研究者在 Al-Zn-Mg-Cu 合金的基礎(chǔ)上引進(jìn) Cr、Mn 和Mo 等合金化元素，成功開(kāi)發(fā)了一種 Al-7.5Zn-1.5Mg-2Cu-0.6Mn-0.25Cr 的高強(qiáng) ESD 合金，該合金的抗拉強(qiáng)度高達(dá) 600 MPa 以上，同時(shí)還兼有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能[10]。1943 年美國(guó)研發(fā)出了 7075 合金，因其具有明顯的時(shí)效硬化特性而擁有較高的強(qiáng)度，微合金化元素 Cr、Mn 和 Ti 在晶內(nèi)形成大量提高該合金強(qiáng)度的彌散相，降低合金再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)，從而大大提高強(qiáng)度[11,12]。隨后，美國(guó)還研發(fā)出良好抗應(yīng)力腐蝕性能的 7079 和 7001 合金，7079 合金曾應(yīng)用在 B-52 轟炸機(jī)上，但飛機(jī)在服役過(guò)程中暴露出抗大氣腐蝕性能較差的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境要求苛刻。1968 年，為了能使得飛機(jī)更加輕量化且強(qiáng)度更高，美國(guó)研究者們開(kāi)發(fā)出了牌號(hào)為 7008 的鋁合金，應(yīng)用在機(jī)翼蒙皮上[13]。同年，美國(guó)鋁業(yè)公司從調(diào)整合金成分入手，提高 Zn/Mg 比值，同時(shí)降低其他合金化成分的含量來(lái)提高合金的韌性和

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文 450℃且在高于 70℃或低于 70℃長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效下才'：一般認(rèn)為 η'是 Al-Zn-Mg-Cu 系合金的主要強(qiáng)的 MgZn2相，直徑約 10-20nm，厚度約幾納米相，只是 GP II 區(qū)比 GP I 區(qū)穩(wěn)定，由于 GP I 區(qū)比 相與鋁合金基體的取向關(guān)系為η Al{0001} / /{111} 496 nm，c=1.402 nm，與基體保持半共格關(guān)系。晶界直接析出，不管哪一種的析出方式，這種的強(qiáng)化相，可大大的提高合金的力學(xué)性能[30]。其

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2788038