铝合金应力／应变时效机制的第一性原理研究

基于第一性原理计算方法探讨了铝合金应力／应变时效的可能机制,综合评估了时效温度和外加应力／应变对Al-Sc合金中Al3Sc固溶边界和A1-Cu合金中Al／θ＇＇界面能的潜在影响。计算结果表明：在传统时效过程中引入外加拉应力／应变,声子态密度在高态区有红移现象,可以明显降低溶解熵;同时,导致相图中固溶线上移,表明外加拉应力／应变可降低Al3-Sc在Al-Sc合金中的极限固溶度,从而增加析出相的最大可能体积分数。外加应力／应变对Al-Cu合金中不同取向的Al／θ＇＇,界面形成能有不同程度的影响,这种差别可以通过泊松效应进一步放大,从而影响到Al-Cu合金中析出相的择优取向。这2种机制在应力／应变时效中均可能发挥重要作用。     

Al-xCu合金中θ′析出相稳定性的研究进展

Al-xCu铝合金因优异的力学性能和抗腐蚀性能而受到广泛关注和研究。然而,在高温、高速冲击等极端服役条件下,Al-xCu铝合金优异性能明显恶化,从而不能满足特定工况的需求,这主要是由于合金在服役过程中θ′析出相的径厚比、体积分数变化等导致其稳定性降低所致。本文综述了微合金化、外场应力时效、位错等方法调控Al-xCu合金θ′析出相稳定性的基本原理。论述了调控Al-xCu合金中θ′析出相稳定性目前亟待解决的问题,并展望了未来的发展和研究重点。     

异质界面诱发晶构转变的界面应变机制

以Fe/Ni界面为例,对bcc/fcc型异质相界面的原子结构和能量学开展第一性原理计算研究,确定了满足{111}Ni/{110}Fe (K-S)关系的界面精细原子结构,并进一步推断该界面处的晶构转变只在临近界面的Ni(111)原子层。其诱发机制主要是界面应变,而与界面原子磁矩的变化无关。     

铝合金中Mg_2Si相的时效析出过程

描述了Al-Mg-Si/Al-Si-Mg系合金时效析出的一般序列为α-sss→GP 区→β"→β'→β(Mg_2Si),总结了在析出序列中可能出现的各亚稳相的晶体结构模型,讨论了各阶段析出相的形成或转变过程及其强化作用;并就过量的Si、Cu、大塑性变形等对析出相的影响作了探讨.     

8090Al-Li合金中S′相的析出

通过电镜观察,研究了在不同时效条件下8090型 Al—Li 合金中 S′相的析出规律。实验结果表明,在单级时效时 S′相的析出十分缓慢,在峰值时效状态也只有少量 S′相沿晶界或亚晶界析出。人工时效前的少量预变形由于增加位错密度而加速了 S′相的析出过程,促进了 S′相的广泛析出。在自然时效时,被 Li 原子束缚的空位释放出来形成位错环后,S′相便在这些位错环上优先形核长大。讨论了 S′相析出的微观机理。     

钛中α/ω界面的第一性原理计算研究

基于实验观测到的界面位向关系,针对钛中α/ω界面开展了第一性原理密度泛函计算研究。根据α、ω两相不同的表面终端和界面原子配位类型,构建和计算考察了24种可能的α{1-100}/ω{1-100}界面原子模型。结果显示,有5种界面结构在能量上具有相近优势,在钛中可能同时出现,其平均界面能为0.100J/m₂(计入错配应变),或0.029J/m₂(不计入错配应变)。计算结果为后续开展钛及钛合金的相场模拟并揭示其相变机制提供重要依据。     

应变能对Al-Cu合金强变形诱导析出相回溶的影响

透射电镜观察表明,Al-4.11%Cu二元合金中θ′相在等径角挤压(ECAP)强变形中发生反复的弯曲变形,形成了亚结构,并从亚结构界面处开始发生溶解,而θ相则发生了折断和破碎,并从破碎θ粒子的尖角处发生溶解。X射线衍射及小角度X射线散射测试结果表明,θ′相粒子随强变形溶解得比θ快,θ′相粒子在尺寸较大时即开始随强变形溶解。热力学分析表明,θ′相在强变形中因为自身的应变增加了系统的应变能和粒子回溶的驱动力,促使其在强变形中的溶解。而θ相的溶解则是因为破碎粒子尖锐菱角表面能的增加造成的。研究表明,析出相粒子应变能与表面能都是强变形诱导析出相粒子回溶的驱动力,尤其是应变能的作用更大。     

ECAP变形过程中θ′相的碎化及溶解行为分析

研究了Al-Cu二元合金的θ′相在ECAP强变形中的碎化及溶解行为.X射线衍射分析表明,ECAP变形至8道次时θ′的衍射峰消失.透射电镜观察表明,在切应力作用下θ′相发生弯曲变形,内部形成了位错墙、亚晶、剪切带及扭转带结构.θ′相首先在亚晶界面、剪切带及扭转带与基体的界而结合处发生溶解,继而断裂碎化及球化,并逐渐发生分解溶入基体.分析表明,θ′相在强变形中的碎化和溶解主要是由其自身的应变引起的,而并非碎化后的表面能升高.     

外场应力对Al-Cu合金中θ″相形貌及析出行为的影响(英文)

对Al-5Cu铝合金在时效过程中施加弹性加载,并采取透射电镜、热分析研究外应力时效作用下θ″析出相的形态和析出行为。结果表明:在50 MPa的外力作用下,在453 K时效6 h后的析出相尺寸是19.83 nm,小于其常规时效(453 K,6 h)的尺寸28.79 nm。热分析结果揭示施加应力后时效析出过程得到促进,同时析出激活能结果表明外应力作用使得激活能下降10%。第一性原理计算结果发现,外应力作用使得析出相与基体的界面能下降6%;结合经典形核相变理论分析讨论,临界形核功受到外应力作用下降19%,从而引起了析出相形态和析出行为的改变。     

Inconel 751合金长期时效过程中γ′析出相的长大行为

对经过标准热处理的Inconel 751合金,在700℃和850℃进行了长期时效处理。对长期时效处理后的合金组织进行了观察,采用Thermo-calc软件对合金γ′相的析出进行了热力学验证计算。结果表明,Inconel 751合金在700℃时效时,γ′相长大较为缓慢,而在850℃时效时γ′相迅速长大;随着时效温度的升高和保温时间的延长,合金中小颗粒γ′相数量减少,单位面积内的γ′颗粒数目减少,大γ′颗粒数目增加,即发生了Ostwald熟化;Inconel751合金中γ′相主要为N i3(A l,Ti),在700℃和850℃时效过程中,γ′颗粒长大受A l和Ti扩散控制。     

钢/铝异种金属激光焊接Fe/Al界面微合金化的第一性原理研究

实现Fe/Al界面结合是保证钢/铝异种金属激光焊接质量的关键。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过构造Fe/Al界面模型,计算了体系的能量与电子结构,讨论了Co、V、Zn、Sn等元素微合金化在Fe/Al界面处的作用。结果表明:Co、V优先置换界面处的Fe原子,而Zn、Sn优先置换的却是Al原子,Fe/Al界面结合主要是Fe-sd与Al-sp轨道之间杂化以及Fe-Al发生的离子键作用。微合金化使Fe/Al界面的断裂功增加,其增强由大到小的顺序为:Co、V、Zn、Sn。电子态密度、电子占据数以及电子密度的计算结果表明:利于Fe/Al界面结合的主要原因是微合金化导致跨界面Fe-Al之间的成键作用增强。对Co而言,主要是Fe-sd、Al-sp、Co-sd之间存在较强共价键和离子键的复合作用;对V而言,主要是V-dp、Fe-d和Al-p之间的轨道杂化作用;而对Zn和Sn而言,则主要是Fe-Al之间发生的离子键作用。     

ECAP强变形过程中θ′相的碎化及溶解行为分析

试验研究了铝-铜二元合金中的θ′相在ECAP强变形中的碎化及溶解行为.X射线衍射分析结果表明,ECAP 变形至8道次时θ’相的衍射峰消失.透射电镜观察表明,在切应力作用下θ′相发生弯曲变形,内部形成位错墙、亚晶、剪切带及扭转带结构.θ’相首先在亚晶界面、剪切带及扭转带与基体的界而结合处发生溶解,继而断裂碎化及球化,并逐渐发生分解溶入基体.分析表明,θ′相在强变形中主要通过其亚晶界面、扭转带及剪切带界面等缺陷处的溶解效应而发生碎化,而其溶解过程并非由表面能主导引起的.     

电场均匀化对2091Al-Li合金时效过程中第二相析出的影响

研究了２０９１Ａｌ－Ｌｉ合金的电场均匀化对显微结构的影响。结果表明：强电场加速了Ａｌ－Ｌｉ合金的均匀化，提高了合金元素的固溶程度，诱发了Ｔ１相的均匀形核，提高了合金的屈服强度；对联合均匀化处理的样品进行应变时效处理后，析出相均匀弥散分布，合金的力学性能大大提高。     

X80管线钢的应变时效行为研究

利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜等分析方法,研究了拉伸预应变量和时效温度对X80管线钢组织和力学性能的影响。结果表明,应变时效前后X80管线钢显微组织无明显变化;应变时效后,拉伸曲线由时效前的拱顶型连续屈服曲线转变为吕德斯型屈服曲线,屈服强度增加,屈强比明显升高,断后伸长率及均匀延伸率降低;冲击韧性变化不明显。预应变量越大,拉伸性能恶化越显著,而时效温度对拉伸性能的影响较小。     

镍基高温合金中γ/θ相界面性能的数值模拟

采用分子动力学法以第二近邻嵌入原子势模型(2NN MEAM)的原子间相互作用势为输入参数,研究了Ni-Al-V高温合金中γ/θ-DO_(22)相不同成分下的界面结构,并计算了界面处不同成分下的界面能和界面分离能。研究表明:随A1原子浓度增大,界面能增大,界面分离能减少:随V原子浓度增大,界面能先增大后减小;而原子浓度改变对界面分离能影响较小;同时表明界面能和界面分离能与界面迁移密切相关。该结果可用于对Ni-Al-V高温合金沉淀过程界面的成分偏析,界面迁移等动态行为做进一步研究,对高温合金设计有极大的指导意义。     

振动时效对SiC_W/Al复合材料热残余应力及拉伸强度的影响

通过施加循环载荷 ,研究振动时效对 2 0 % (体积分数 )SiCW/ 6 0 6 1Al复合材料热残余应力及拉伸强度的影响。结果表明 ,随着循环上限应力增大热残余应力单调下降 ,但复合材料拉伸强度与循环上限应力之间并非是单调关系 ,选择适当循环上限应力可以获得最高拉伸强度。当循环上限应力超过一定程度后 ,振动处理会对复合材料界面造成一定损伤。     

镍基合金中γ′相界面的强化设计

采用第一原理分子轨道离散变分Xα法，研究在镍基合金中加Ir合金化的作用，以及在镍基合金中存在B，C，N，H，O，P或S时对γ相和γ′相界面结合强度的影响。证明Ir合金化后，使γ相和γ′相的晶格错配度向负值变化，提高键重叠集居数和总键序。在镍基合金中存在的S，P，H，O，N，B或C，对γ－Ni/γ′-Ni3Al相界面结合力有明显影响，其中C，B和N显著增强两相的界面，相反S和P则减弱相界的结合。     

氧化态SiCp/5052Al复合材料的界面及热导性能

研究了SiC颗粒经不同氧化时间的氧化行为,采用无压渗透法制备了体积分数大于55%的SiCp/Al复合材料,分析了复合材料的微观组织与界面形貌,探讨了氧化及界面反应对复合材料热导性能的影响。结果表明:当SiC颗粒在1100℃氧化时,随着氧化时间的延长,其氧化增重及氧化层的厚度均增加,但氧化时间大于6 h时,其增加速率减缓;经氧化处理后,颗粒尖角明显钝化,所制备复合材料颗粒分布均匀,致密度比颗粒未氧化时要高;且氧化改变了复合材料的界面反应及结合,未经氧化颗粒表面出现了短棒状Al_4C_3,4 h氧化后颗粒表面形成了八面体MgAl_2O_4,6 h氧化后仍有残余的SiO_2;随氧化时间的延长,复合材料热导及界面热传导系数均呈先增大后减小的变化趋势,这与不同氧化时的实际界面状况密切相关。