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Al-Mg-Si三元合金析出相的电子结构与力学性能

作　者: 韦娜
导　师: 高英俊
学　校: 广西大学
专　业: 材料学
关键词: Al-Mg-Si合金 pre-β" β" β’价电子结构界面电子结构界面能
分类号: TG146.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 68次
引　用: 2次
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内容摘要

Al-Mg-Si (6000系)合金由于具有低比重、中高强度、良好的强韧性等优点,是当今新材料开发设计中的一个热门体系。在新材料的设计开发中,影响合金力学性能的因素很多,相空间价电子结构和界面电子结构则是研究许多问题的基础。为了更清楚地揭示Al-Mg-Si合金强化作用的微观机理,本论文针对Al-Mg-Si中典型的几个析出强化相的作用,运用固体与分子经验电子理论(简称EET理论)以及程开甲院士的TFD方法,结合Becker模型,从价电子结构与界面电子结构层次研究分析该合金的析出相对力学性能的影响,取得了一系列成果,主要的研究内容和突出成果如下：1、率先将EET理论和TFD理论结合对Al-Mg-Si合金的析出相pre-β"β”、β’的原子成键、结合能及界面电子结构进行研究分析。计算结果表明pre-β"、β"、β’最强键上的共价电子对数要比Al基体最强键共价电子对数多,因此这些析出相的析出对合金整体起到了强化的作用,使合金熔点、硬度也发生相应的改变,从价电子结构层次揭示析出相对合金强韧化的微观机理。2、率先应用Becker模型计算了pre-β"β"与基体之间的界面能。根据上述理论计算得出亚稳相pre-β"、β"、β’与基体间的界面能并分析各种界面对合金析出相结合稳定性的影响,以及相的析出顺序,结果与实验符合得很好。3、分析析出相的价电子结构以及相界面电子结构参数nA、σN、F、σ、Δσ、σ、σ’和界面能γ的结果,发现在时效过程中,析出相nA越大,相结合越强,可以利用nA/nAα-A1计算析出相对合金的强化系数或强化效果。而σN越多,析出相就越稳定。当△ρ较小,界面上的平均电子密度ρ较大时,界面结合强度较大。由此推断,亚稳相pre-β"、β"的析出,与基体间形成各种界面应力较小,界面比较稳定,能使界面增韧,从而有利于合金表面的强化；而β’、U1和U2相与基体间形成的界面应力较大,则是在更高强度级别下的稳定性,对界面产生更高强度级别的强韧化,从而使合金表面得到强化。这一结果与实验所报道的情况相符合。本文研究合金所有的析出相相空间及界面电子结构,从整体上分析合金的强化作用规律,在原子成键层次揭示了合金的微观结构与宏观性能之间的关系。对合金的改性设计,获得具有高强韧性的Al-Mg-Si合金材料具有重要的理论指导意义。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-20
  1.1 概述  11
  1.2 Al-Mg-Si三元合金的时效析出序列与强化机理  11-13
  1.3 Al-Mg-Si合金的析出相与性能  13-18
    1.3.1 α—Al相与合金性能  13
    1.3.2 Mg与合金性能  13-14
    1.3.3 β—Si相与合金性能  14
    1.3.4 GPZ(Guinier-Preston zones)与合金性能  14-15
    1.3.5 Pre—β"相与合金性能  15
    1.3.6 β"(Mg_5Si_6相)与合金性能  15-16
    1.3.7 β’相与合金性能  16-17
    1.3.8 U1(MgAl_2Si_2)相与合金性能  17
    1.3.9 U2(Mg_4Al_4Si_4)相  17-18
    1.3.10 β—Mg_2Si相  18
  1.4 论文研究意义与应用价值  18-20
    1.4.1 论文研究的意义  18
    1.4.2 论文研究的应用价值  18-20
第二章固体经验电子理论与程氏理论  20-31
  2.1 前言  20
  2.2 固体与分子经验电子理论(EET)基本概念  20-22
    2.2.1 EET理论的几个基本假设  21-22
    2.2.2 相空间结构因子与合金性能  22
  2.3 键距差(BLD)法  22-24
    2.3.1 BLD法的基本思想  22
    2.3.2 BLD方法  22-24
  2.4 成键能力与键能的计算  24-25
    2.4.1 同种原子共价键键能值  24-25
    2.4.2 异种原子共价键键能的计算  25
  2.5 结合能的计算方法  25-27
    2.5.1 碱金属与碱土金属晶体结合能的计算  26
    2.5.2 普遍元素晶体结合能的计算  26
    2.5.3 过渡金属化合物晶体的结合能计算  26-27
    2.5.4 金属化合物晶体结合能实验值E_c~(uv)的计算  27
  2.6 改进的程氏理论(TFD理论)  27-28
  2.7 界面能的计算  28-31
    2.7.1 界面能定义  28-29
    2.7.2 界面能的计算公式  29-31
第三章 Al-Mg-Si合金pre-β"与β"相的价电子结构与界面能  31-44
  3.1 Al基体的理论计算  31-33
    3.1.1 Al基体的空间价电子结构与结合能  31-32
    3.1.2 Al基体的界面电子结构  32-33
  3.2 pre-β"相的理论计算  33-38
    3.2.1 pre-β"相的空间价电子结构  33-34
    3.2.2 pre-β"相的结合能  34-36
    3.2.3 pre-β"相的界面电子结构  36-37
    3.2.4 pre-β"相与基体形成的界面能  37-38
  3.3 β"相的理论计算  38-43
    3.3.1 β"相的空间价电子结构  38-39
    3.3.2 β"相结合能  39-41
    3.3.3 β"相的界面电子结构  41-42
    3.3.4 β"相与基体形成的界面能  42-43
  3.4 小结  43-44
第四章 β’相的价电子结构与界面能  44-50
  4.1 β’相的理论计算  44-49
    4.1.1 β’相的空间价电子结构与结合能  44-45
    4.1.2 β’相结合能  45-46
    4.1.3 β’相的界面电子结构  46-48
    4.1.4 β’相与基体间的界面能  48-49
  4.2 小结  49-50
第五章析出相电子结构与合金力学性能  50-60
  5.1 相空间价电子结构与合金性能  50-56
    5.1.1 析出相与合金强度的关系  50-51
    5.1.2 析出相与合金硬度的关系  51
    5.1.3 析出相与合金熔点的关系  51-52
    5.1.4 析出相与合金韧性的关系  52-56
  5.2 界面结合因子(ρ、△ρ、σ、σ’)  56-60
    5.2.1 各析出相的界面结合因子  56
    5.2.2 界面结合因子与合金性能  56-60
第六章总结  60-61
参考文献  61-65
致谢  65-66
论文发表情况  66

Al-Mg-Si三元合金析出相的电子结构与力学性能

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