论文部分内容阅读
铝合金因质轻可塑、价格较低、易导热导电等优异性能,在航空航天、汽车等各个领域都得到了广泛应用,是最重要工程材料之一。然而,较低的力学强度限制其应用范围的进一步扩大。采用合金化的方式是改善A1合金性能的重要途径。因此,研究新合金元素对Al合金性能的影响具有现实意义。研究发现,B、C、O等小原子元素形成的间隙型固溶不仅可以避免由于高合金含量带来的薄膜韧性和耐蚀性降低等问题,还可展现其独特的生长结构和超乎寻常的强化效率,同时也降低了薄膜的制备成本。因此,通过掺杂B、C、O等小原子是改善性能有效的方法之一。于是,本论文采用第一性原理方法对Al-X(B、C、O)合金的固溶结构和性能影响机制展开了研究:据固溶结合能分析,在含量不超过3at.%情况下,Al-X(B、C、O)的结合能均为负值,结构具有热力学稳定性。对比置换固溶、八面体间隙固溶和四面体间隙固溶三种形式,B和C原子以空间间隙最大的八面体间隙形式固溶于A1晶体中,而O原子以四面体间隙形式固溶于Al晶体中。间隙固溶Al-X(B、C、O)合金的力学性能较为复杂。B原子的加入,合金的弹性常数以及弹性模量总体呈现下降趋势,各向异性程度明显减弱,而Al-B的理想剪切强度还略微降低,并且通过广义层错能计算发现,B原子的掺杂使得最大广义层错增加至原来的2倍,合金在形变过程中位错滑移将变得相对困难。随着C原子的加入和含量的增加,Al-C合金的弹性常数和弹性模量呈下降趋势,各向异性程度明显减弱;并且C原子的掺杂,不仅使Al-C合金的理想强度得到了提高,而且最大应变也得到了增加;另外,C原子的加入,还降低了合金的最大层错能(降低了10.26%),使得合金形变过程中位错滑移变得相对容易。O原子固溶情况与C原子情况类似,O原子的固溶使得Al合金弹性模量总体略微下降,各向异性程度明显减弱,当0.9at.%O含量时,合金的延展性达到峰值;在理想剪切形变过程中,应变值为0.231时,Al-O合金获得最大的剪切应力(3.37GPa),相比纯Al,理想剪切强度明显提高。另外,固溶O原子还使得最大层错能降低了 13.97%。通过研究Al-X(B、C、O)的态密度与总态密度,在费米能级处的电子不为0,说明Al-X合金都表现出明显的金属性。我们发现B-A1间形成以共价键为主的混合键型,而C和O与A1形成的是以离子键为主的混合键型。并且费米能级处态密度值处于低位,也进一步说明Al-X(B、C、O)是稳定性结构。这些理论计算结果为优化新型Al合金的成分起了很好的导向作用,并且可以得到实验中无法得到的性能参数,也为研究Al合金材料提供一些有价值的研究成果。