本文關(guān)鍵詞：溶質(zhì)原子對(duì)鎂熔體中異質(zhì)形核基底的作用機(jī)制研究

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【摘要】：鎂合金是目前最輕的結(jié)構(gòu)材料之一,具有比強(qiáng)度高、比剛度高和阻尼性能好等眾多優(yōu)點(diǎn),在航空航天、電子工業(yè)、汽車(chē)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而,鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方,滑移系少,決定了其塑性變形能力差,這在一定的程度上制約了其應(yīng)用與發(fā)展。晶粒細(xì)化可以有效的改善合金綜合性能。其中碳質(zhì)細(xì)化法被認(rèn)為是最有應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿Φ募?xì)化方法。但是,碳質(zhì)細(xì)化方法很容易受到合金中雜質(zhì)元素Fe(Mn)的影響�，F(xiàn)有關(guān)于Fe(Mn)元素對(duì)鎂合金碳質(zhì)細(xì)化的影響機(jī)制研究結(jié)論相互矛盾。本文以AZ91合金為實(shí)驗(yàn)材料,對(duì)不同Mn含量的合金進(jìn)行碳質(zhì)細(xì)化處理,從實(shí)驗(yàn)的角度研究Mn元素對(duì)鎂合金碳質(zhì)細(xì)化的影響機(jī)制。同時(shí)采用第一性原理方法從原子尺度上研究Fe(Mn)原子對(duì)Al4C3表面結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算相結(jié)合的方法揭示Fe(Mn)元素對(duì)鎂合金碳質(zhì)細(xì)化的影響機(jī)制,為將來(lái)開(kāi)發(fā)出有效碳質(zhì)細(xì)化劑提供理論依據(jù)。通過(guò)向AZ91D合金中添加不同含量的Mn和碳質(zhì)細(xì)化劑,采用多種分析測(cè)試手段觀(guān)察晶粒尺寸大小和異質(zhì)相的形貌。研究發(fā)現(xiàn),在低含量Mn時(shí),碳質(zhì)細(xì)化方法能有效的細(xì)化鎂合金晶粒。而當(dāng)Mn含量超0.28wt.%,會(huì)隨著Mn含量增加,鎂合金晶粒會(huì)不斷的粗化。通過(guò)SEM、EDS分析,可判定合金中的異質(zhì)相是一種Al-C相和Al-Mn相的復(fù)合相。推測(cè)認(rèn)為Al-Mn相吸附于Al-C相上,從而改變Al-C相的表面結(jié)構(gòu),形成Al-C-Mn三元化合物,從而降低了Al-C化合物的異質(zhì)形核能力,最終導(dǎo)致Mg晶粒的粗化。采用基于密度泛函理論的第一性原理方法模擬了Fe(Mn)在Al4C3(0001)表面的吸附行為。根據(jù)對(duì)吸附能大小的比較確定,在Al-終止表面,三重空位H1位置是最佳的穩(wěn)定吸附位置；在C-終止表面上,H'2為最穩(wěn)定的吸附位置。通過(guò)熱力學(xué)穩(wěn)定性分析可知,Fe(Mn)在C-終止表面吸附體系的穩(wěn)定性要比Fe(Mn)在Al-終止表面吸附體系穩(wěn)定性好,并且低覆蓋下吸附體系穩(wěn)定性比高覆蓋下吸附體系好；對(duì)吸附體系的表面電子結(jié)構(gòu)特征分析可知,Fe(Mn)在Al4C3(0001)表面上吸附屬于化學(xué)吸附,在Al-終止表面上,Fe(Mn)與表面層的Al原子主要是以離子鍵的形式發(fā)生鍵合,而在C-終止表面上,Fe(Mn)與表面層的C原子主要是以極性共價(jià)鍵的形式發(fā)生鍵合。對(duì)吸附體系表面結(jié)構(gòu)的分析可知,吸附了Fe(Mn)原子后,Al4C3(0001)表面層間距發(fā)生了巨大的變化,特別是表面的前三層,所以很可能Al4C3(0001)表面發(fā)生了重構(gòu)。通過(guò)第一性原理計(jì)算可知,Fe(Mn)在Al4C3(0001)表面吸附屬于化學(xué)吸附,表明Fe(Mn)能夠與Al4C3相結(jié)合形成Al-C-Fe(Mn)化合物。并且Fe(Mn)元素的吸附會(huì)使Al4C3(0001)表面發(fā)生重構(gòu),從而影響Mg原子在Al4C3(0001)表面的堆垛。這剛好與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相呼應(yīng),即過(guò)量Fe(Mn)溶質(zhì)元素的存在會(huì)降低Al4C3的異質(zhì)形核能力。
【關(guān)鍵詞】：鎂合金 碳質(zhì)細(xì)化 第一性原理計(jì)算 溶質(zhì)元素 表面吸附
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG292
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 緒論9-23
• 1.1 Mg-Al系合金碳質(zhì)細(xì)化的研究現(xiàn)狀10-18
• 1.1.1 Mg-Al系合金碳質(zhì)細(xì)化方法10-14
• 1.1.2 Mg-Al系合金碳質(zhì)細(xì)化機(jī)理14-18
• 1.2 Fe(Mn)對(duì)Mg-Al系合金晶碳質(zhì)細(xì)化的影響18-19
• 1.3 第一原理計(jì)算在表面吸附方面的研究現(xiàn)狀19-21
• 1.3.1 第一性原理計(jì)算概述19-20
• 1.3.2 表面吸附方面的第一性原理研究20-21
• 1.4 本論文的研究目的和意義21
• 1.5 本論文主要研究?jī)?nèi)容21-23
• 1.5.1 課題的來(lái)源21-22
• 1.5.2 主要研究?jī)?nèi)容22-23
• 第2章 Mn對(duì)Mg-9Al合金碳質(zhì)細(xì)化效果的影響實(shí)驗(yàn)研究23-38
• 2.1 實(shí)驗(yàn)研究方法23-29
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料23-24
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備24-25
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)方案25-26
• 2.1.4 實(shí)驗(yàn)工藝26
• 2.1.5 分析測(cè)試方法26-29
• 2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析29-36
• 2.2.1 Mn對(duì)已變質(zhì)處理的AZ91D合金的晶粒尺寸的影響29-31
• 2.2.2 含Al-Mn粒子的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和成分分析31-35
• 2.2.3 Mn對(duì)AZ91D碳質(zhì)細(xì)化影響機(jī)制的分析和討論35-36
• 2.3 本章小結(jié)36-38
• 第3章 Mn在Al_4C_3(0001)表面吸附的第一性原理研究38-56
• 3.1 計(jì)算方法38-39
• 3.2 模型的建立39-41
• 3.3 Al_4C_3(0001)表面計(jì)算結(jié)果分析41-44
• 3.3.1 Al_4C_3(0001)表面能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度分析41-43
• 3.3.2 Al_4C_3(0001)成鍵情況分析43-44
• 3.4 Mn/Al_4C_3(0001)吸附體系計(jì)算結(jié)果與分析44-54
• 3.4.1 Mn在Al_4C_3(0001)表面的吸附位置44-46
• 3.4.2 Mn在Al_4C_3(0001)表面穩(wěn)定吸附位置的分析46-48
• 3.4.3 Mn/Al_4C_3(0001)吸附體系的穩(wěn)定性分析48-49
• 3.4.4 Mn/Al_4C_3(0001)吸附體系電子結(jié)構(gòu)分析49-53
• 3.4.5 Mn/Al_4C-3(0001)吸附體系結(jié)構(gòu)分析53-54
• 3.5 本章小結(jié)54-56
• 第4章 Fe在Al_4C_3(0001)表面吸附的第一性原理研究56-69
• 4.1 計(jì)算方法56-57
• 4.2 吸附體系模型的建立57-59
• 4.3 計(jì)算結(jié)果分析59-66
• 4.3.1 穩(wěn)定的吸附位置59-60
• 4.3.2 表面結(jié)構(gòu)的變化60-62
• 4.3.3 吸附體系的穩(wěn)定性62-63
• 4.3.4 吸附體系的電子結(jié)構(gòu)分析63-66
• 4.4 Fe(Mn)對(duì)Al_4C_3形核能力的影響機(jī)制分析討論66-67
• 4.5 本章小結(jié)67-69
• 第5章 結(jié)論與展望69-71
• 5.1 主要結(jié)論69-70
• 5.2 展望70
• 5.3 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)70-71
• 致謝71-72
• 參考文獻(xiàn)72-78
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果78

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