【摘要】：由于鋁合金具有重量輕、比強度高、良好的耐蝕性、易于加工成型等特點,已被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、建筑、容器包裝、電力電子、機械制造和石油化工等國民經(jīng)濟領(lǐng)域以及人們的日常生活當(dāng)中。但是,對于新型鋁合金的開發(fā)還大多局限在傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ?而隨著計算機技術(shù)近幾年的飛速發(fā)展,對材料的性能進行模擬計算成為材料研究新的熱點內(nèi)容。因此本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,應(yīng)用Materials Studio軟件對Al-Cu-Mg(-Y)系合金的主要析出相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、有關(guān)熱力學(xué)性能及彈性性能進行了模擬計算,并通過對Al-5Cu-1Mg(-0.3Y)合金進行顯微組織觀察和力學(xué)性能檢測,對比分析了理論計算與實驗檢測結(jié)果,以期為新型鋁合金材料的開發(fā)與成分設(shè)計提供可靠的理論參考。通過對Al-Cu-Mg(-Y)系合金的生成熱與結(jié)合能以及電子態(tài)密度的模擬計算可知,在Al-Cu-Mg系合金凝固過程中,Al2CuMg相將優(yōu)先于其它相在Al-Cu-Mg系合金中析出,但是當(dāng)Mg的加入量相對較少時,Al2Cu相就更容易優(yōu)先析出,因此在Al-Cu-Mg系合金中可以穩(wěn)定存在Al2CuMg與Al2Cu這兩種析出相,說明Cu元素與Al的合金化能力要明顯高于Mg元素與Al的合金化能力。當(dāng)在Al-Cu-Mg系合金中加入微量的Y元素后,由于Y元素與Al的合金化能力要明顯高于Cu、Mg元素與Al的合金化能力,因此在Al-Cu-Mg-Y系合金中,Al2Y相優(yōu)先形成,而當(dāng)Al-Cu-Mg-Y系合金中Cu含量達到一定值時,Al8Cu4Y相也較易形成。因此,Al2Y相及Al8Cu4Y相為Al-Cu-Mg-Y系合金中的主要強化相,并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也較好。通過對幾種主要強化相的彈性常數(shù)的模擬計算可知,Al2Cu、Al2Y、Al8Cu4Y這些Al-Cu-Mg(-Y)系合金中主要強化相的體模量B比純Al的體模量要顯著增加,說明這些強化相的強度均高于純Al的強度,而三種主要強化相的剪切模量G都比純Al和純Y的大,說明其脆性增加,但強度和硬度提高。Al2Cu相的楊氏模量最小,塑性最好,而Al2Y相的楊氏模量最大,塑性最差;Al2Cu相的G/B值與純Al接近,均小于0.5,其韌性最好,而添加稀土元素Y后形成的主要強化相中不管是Al8Cu4Y相還是Al2Y相均為脆性相,并且Al2Y相的脆性更大。Al2Cu相具有較高的泊松比,塑性較好,而Al2Y相的泊松比最小,塑性相對最差。Al單晶有3條聲子譜曲線,均為聲學(xué)支波,聲子態(tài)密度最高峰出現(xiàn)在3.37THz處;Al2Y和Al2Cu兩種強化相的聲子譜曲線中均有18條色散曲線,其中有3條聲學(xué)支格波和15條光學(xué)支格波,且Al2Y與Al2Cu聲子譜曲線分別在一些特殊的高對稱點間存在簡并。Al2Y在3~5THz范圍內(nèi)聲子出現(xiàn)態(tài)密度峰,Al2Cu在4~4.5THz、7~8THz以及9~9.5THz范圍內(nèi)聲子出現(xiàn)三個比較明顯的態(tài)密度峰,說明其晶格振動在這些頻率附近格波數(shù)最多;隨著溫度的增加,Al、Al2Y和Al2Cu的熵和焓都增加,而自由能減小。在300K~900K之間的不同溫度下,Al2Y相的熱穩(wěn)定性都要高于Al2Cu相。從Al、Al2Y和Al2Cu的定容熱容同溫度的關(guān)系曲線上看,其變化趨勢基本一致,當(dāng)溫度低于200K時,隨著溫度的升高定容熱容增加較快,而此后曲線則變化緩慢,直至接近于常數(shù)3R。通過對Al-5Cu-1Mg(-0.3Y)合金進行力學(xué)性能測試可知,在Al-5Cu-1Mg系合金中加入0.3%的稀土元素Y后,Al-5Cu-1Mg合金的拉伸強度顯著提高,斷裂伸長率有所降低,且隨著時效時間的延長,Al-5Cu-1Mg-0.3Y合金的拉伸強度出現(xiàn)先升高后降低的趨勢;在拉伸加載條件下,Al-5Cu-1Mg合金和Al-5Cu-1Mg-0.3Y均發(fā)生韌性斷裂。低周疲勞加載條件下,T6態(tài)擠壓變形Al-5Cu-1Mg合金和Al-5Cu-1Mg-0.3Y合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為表現(xiàn)為循環(huán)應(yīng)變硬化和循環(huán)穩(wěn)定;稀土元素Y的加入可以提高T6態(tài)擠壓變形Al-5Cu-1Mg合金在較低外加總應(yīng)變幅下的循環(huán)變形抗力以及在較高外加總應(yīng)變幅下的低周疲勞壽命,這主要與Al2Y和Al8Cu4Y相的形成有關(guān);此外,對于T6態(tài)擠壓變形Al-5Cu-1Mg合金和Al-5Cu-1Mg-0.3Y合金,其塑性應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅與疲勞斷裂時的載荷反向周次之間均呈線性關(guān)系,并且疲勞裂紋均是以穿晶方式萌生于疲勞試樣表面,并以穿晶方式擴展。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.21

【參考文獻】

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本文編號：2462746