Al-Zn-Mg-Cu超強(qiáng)鋁合金中主要金屬間化合物相的第一性原理研究.pdf

1、Al-Zn-Mg-Cu超強(qiáng)鋁合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高、熱加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車制造等領(lǐng)域。了解并研究鋁合金中間相的性質(zhì)，對(duì)于更好地設(shè)計(jì)新的超強(qiáng)鋁合金及其加工工藝具有指導(dǎo)意義。本文利用基于密度泛函理論的第一性原理研究Al-Zn-Mg-Cu超強(qiáng)鋁合金中三種穩(wěn)定中間相MgZn2(η)、Al2CuMg(S)和Al2Cu（θ）以及過渡相Al2Cu（θ'）相的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、晶格振動(dòng)性質(zhì)和彈性性質(zhì)。
　　結(jié)構(gòu)性質(zhì)的計(jì)算結(jié)果

2、顯示在MgZn2、Al2CuMg和Al2Cu（θ）這三種中間相中，最容易形成的是MgZn2，最難形成的是Al2Cu（θ）。Al2Cu（θ）的結(jié)合能絕對(duì)值最大，說明其原子間成鍵最強(qiáng)，并且有最高的熔點(diǎn)，結(jié)構(gòu)也最穩(wěn)定。而MgZn2結(jié)合能絕對(duì)值最小，原子間成鍵最弱，熔點(diǎn)最低。θ'相形成焓的絕對(duì)值大于θ相，說明在析出時(shí)，θ'相更容易形成，這與相的析出順序是相符的。兩者的結(jié)合能相近，說明兩者原子間成鍵強(qiáng)弱幾乎一樣，熔點(diǎn)相近，結(jié)構(gòu)也都非常穩(wěn)定。基態(tài)能

3、量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，θ'相的總能低于θ相的總能，現(xiàn)象反常。
　　采用微擾密度泛函方法計(jì)算了各中間相的聲子，均未發(fā)現(xiàn)虛頻，驗(yàn)證了各中間相均為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，低溫時(shí)θ'相的Helmholtz自由能比較低，高溫時(shí)θ相的Helmholtz自由能比較低，并且隨著溫度的增高，振動(dòng)自由能的貢獻(xiàn)比電子激發(fā)自由能的貢獻(xiàn)大得多，θ'相→θ相轉(zhuǎn)變溫度為450 K。
　　采用能量-應(yīng)變法計(jì)算了各中間相的彈性常數(shù)，并進(jìn)一步獲得其它彈性性質(zhì)。三種中

4、間相的彈性常數(shù)都滿足力學(xué)穩(wěn)定性判據(jù)，說明從彈性常數(shù)的角度判定，這些相都是穩(wěn)定相。Al2Cu（θ）的體積模量大于Al2CuMg，而剪切模量和楊氏模量則略小于Al2CuMg，兩者的模量都遠(yuǎn)大于MgZn2。說明在Al-Zn-Mg合金的基礎(chǔ)上加入Cu元素，能夠提高合金的模量。通過B/G值和泊松比判定，MgZn2為塑性相，Al2CuMg和Al2Cu（θ）為脆性相。θ'相相比于θ相的彈性模量（包括體積模量、剪切模量和楊氏模量）更高，更趨向于各向異性