金屬鋯及其合金具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),在多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。目前研究較為成熟的鋯合金體系為Zr-Sn系和Zr-Nb系,而對Zr-Al系的研究相對較少。因此,采用理論計算的方法對Zr-Al系開展系統(tǒng)而深入的研究,既可以為相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供理論支撐,也可以為后續(xù)材料的研發(fā)和設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,圍繞Zr-Al合金體系開展了有關(guān)原子擴(kuò)散、兩相界面及廣義堆垛層錯能的相關(guān)研究。具體內(nèi)容如下:分析了Zr₃Al中Zr原子和Al原子可能的遷移路徑,計算了各遷移路徑的遷移能壘,從擴(kuò)散激活能的角度確定了Zr₃Al中Zr原子和Al原子最可行的擴(kuò)散機(jī)制分別是:由V_Zr誘導(dǎo)的最近鄰擴(kuò)散機(jī)制和反位協(xié)助機(jī)制;探究了Hf、Nb、Sc和Ti四種溶質(zhì)原子對Zr₃Al自擴(kuò)散機(jī)制的影響,發(fā)現(xiàn)影響Zr₃Al自擴(kuò)散的關(guān)鍵在于溶質(zhì)原子的半徑大小。計算了位于純Al/Al₃Zr界面和被Nb、Ti、Cu和Sc合金化的界面處由V_Al介導(dǎo)的A... 

【文章來源】：燕山大學(xué)河北省

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

Zr-Al二元相圖

第1章緒論-3-脆性斷裂的方式發(fā)生斷裂；但當(dāng)基體中含有α-Zr時，合金塑性增加，斷裂方式也變?yōu)轫g性斷裂[14]。圖1-2Zr3Al的單胞示意圖當(dāng)鋯含量在53at%及以上時，Al3Zr將作為唯一的金屬間化合物存在形式，且在不同的熱處理方式下，Al3Zr具有四種相。第一種是由于Zr的溶入而在Al基體中形成的過飽和固溶體，由Zr-Al二元相圖可知，在660.8℃發(fā)生包晶反應(yīng)：L（液體）+Al3Zr→α-Al，此時液體中Zr的含量為0.11wt%，固態(tài)Al中的Zr含量達(dá)到固溶極限，為0.28%[15]，但在實(shí)際熱處理過程中，平衡狀態(tài)往往被打破，在快速冷卻時，Zr會過飽和的固溶在Al基體中，使得Zr含量遠(yuǎn)高于理論極限，從而形成過飽和固溶體，這一部分Zr原子可以在后續(xù)的均勻化退火中析出，進(jìn)而生成亞穩(wěn)態(tài)的L12-Al3Zr相[16,17]；第二種是粗大的初生Al3Zr相，是由于合金中的Zr含量過高或者工藝欠佳導(dǎo)致的Zr的偏聚而形成的，該相的尺寸較大，通常在幾百納米到幾百微米之間，其存在大大破壞了基體的連續(xù)性，且無法通過后續(xù)的熱處理工藝將其完全去除，因此其存在對于材料的性能是十分不利的[18]；第三種是亞穩(wěn)態(tài)的L12-Al3Zr，通過均勻化退火可以使固溶于Al基體中的Zr彌散析出，形成粒徑尺寸大概為30mm左右的L12-Al3Zr相，該相為面心立方結(jié)構(gòu)，具有較高的對稱性，與基體的失配率僅為0.7%左右，二者呈共格關(guān)系，L12-Al3Zr強(qiáng)烈釘扎晶界和亞晶界，因此其存在可以有效提升基體材料的塑性，同時由于該亞穩(wěn)相須在高溫（＞450℃）下經(jīng)長時間時效處理才會發(fā)生相變，故其能抑制合金變形及后續(xù)熱處理過程中的再結(jié)晶，提升材料的耐熱性能[19-22]；最后一種存在形式為平衡態(tài)的D023-Al3Zr相，該相是由亞穩(wěn)態(tài)的L12-Al3Zr相結(jié)合固溶于Al基體中的Zr元素進(jìn)一步轉(zhuǎn)化而來，其與基體的共格傾向較?

燕山大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-4-為粗大，無法對基體后續(xù)的再結(jié)晶過程起到良好的抑制作用[23,24]。圖1-3給出了Al3Zr的兩種晶體結(jié)構(gòu)，其中，圖1-3(a)為亞穩(wěn)相L12-Al3Zr，圖1-3(b)為穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)D023-Al3Zr。圖1-3Al3Zr單胞示意圖：(a)L12-Al3Zr，(b)D023-Al3Zr1.2.2Zr-Al合金體系研究進(jìn)展截止到目前，國內(nèi)外已開展了諸多有關(guān)Zr-Al合金體系的科學(xué)研究。Paljevi等人[25]利用非自耗電弧熔煉技術(shù)制備出了成分較為均勻的ZrAl2和ZrAl3合金，通過吸氧速率探究合金的氧化過程和機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于ZrAl2中的Al含量高于其他幾相，Al原子在氧化物-合金的界面積聚很快，來不及發(fā)生氧化而是進(jìn)入到ZrAl2基體中，在氧化物和合金的界面處生成ZrAl3，而ZrAl3是所有Zr-Al二元化合物中Al含量最高的，因此Al原子不可能繼續(xù)擴(kuò)散到其中發(fā)生后續(xù)相變反應(yīng)，由此來看，合金發(fā)生的氧化過程與體系內(nèi)原子的擴(kuò)散行為密切相關(guān)。Zr3Al基合金受快中子的影響很大，在快中子連續(xù)輻照的情況下，Zr3Al基合金呈無規(guī)律性的持續(xù)線性增長，且合金的塑性隨著輻照強(qiáng)度的變化而變化，這表明在快中子輻照的影響下，Zr3Al基合金內(nèi)晶格發(fā)生各向異性增長，這可能與被輻照影響的原子擴(kuò)散行為相關(guān)[26]。此外，研究表明在Zr3Al基合金中加入Nb元素有利于使塑性更好的高溫相β-Zr保留至室溫，但需提高退火溫度促進(jìn)β-Zr+Zr2AlZr3Al的進(jìn)行，

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博士論文
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本文編號：3284771