铸造Al-Si-X系合金时效初期组织演变的计算与模拟

【摘要】本文基于密度泛函理论的第一性原理研究了Cu、Mg、Si原子对Al基体所产生的固溶强化机理；根据质点（溶质、空位）间的相互作用分析了Al-Si-Cu、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu-Mg合金时效初期的团簇形成过程；结合动力学蒙特卡罗（KineticMonteCarlo,简称KMC）法模拟获得了合金时效初期动态、直观的团簇形成图像；分析了Al-Si系合金中θ、β序列沉淀相的析出行为及性能。利用第一性原理计算了含溶质Cu、Mg、Si原子的铝合金超胞结构的电子参数。根据态密度分析结果表明：Cu、Mg与Al基体存在较强的结合，而Si与Al原子间的结合相对较弱。利用电子局域化函数（ELF）对Al107X1超胞结构中化学键进行定量分析，从超胞结构中化学键络的增强程度及范围发现Mg原子的固溶强化效果比Cu原子显著，Si原子的固溶强化效果最弱，与根据错配度分析的元素的强化效果相吻合。利用第一性原理计算了面心立方结构Si相的内聚能，进而获得Si原子相关的模拟参数，为含Si原子的铝合金时效初期微观组织演变的模拟提供了可能。Al-Si二元合金时效初期的微观组织演变模拟结果表明：在十几秒内含几百个Si原子的Si团簇便能够形成，这与Al-Si二元合金中Si相能够快速析出的结论相一致。Al-Si-Cu合金时效初期团簇形成行为的第一性原理计算结果表明，富Si团簇及富Cu团簇均能形成，而Si原子占据空位的能力更强，富Si团簇形成较快，相对而言，富Cu团簇形成较慢。含Si、Cu原子的团簇结构也能够形成，由于扩散能力的差异，Si-Cu团簇富Si贫Cu，因此可能向Si相转变。这可能是合金中Si和Cu原子组成的沉淀相未出现的原因。对Al-Si-Cu合金时效初期微结构演变的模拟结果表明：富含Si原子的团簇形成较快，与Al-Si合金相比，Cu元素的加入未对Si团簇的形成长大有明显的影响。部分Si团簇中含有极少量的Cu原子，而小尺寸的富Cu团簇出现较晚，这与电子理论计算结果相符。富Cu团簇的形成为θ序列沉淀相的析出提供了成分基础。沉淀序列中θ相、θ相的形成焓及态密度分析表明θ相具有更强的稳定性。在535K左右，θ相与θ相的稳定性发生转变，即在高温下θ相稳定性更强，这与已有计算及实验结论相符。对两相的键布局分析结果表明：θ相中的共价键结合能力较强，抵抗变形的能力越强，宏观上表现为更高的硬度，当该相存在时对合金的硬化效果要好于θ相。当θ相演变为θ相后合金硬度值发生下降可能与二者硬化效果的差异有关。Al-Si-Mg合金时效初期团簇形成行为的研究表明：Si、Mg原子均能够通过空位快速扩散，富含Si原子的团簇以及富含Mg原子的团簇均形成较快。Mg原子间相互排斥，Mg原子更倾向与Si原子结合，而主要存在于Si-Mg团簇结构中。对Al-Si-Mg合金时效初期团簇形成行为的模拟表明：合金基体中出现了大量富含Si和Mg原子的团簇。与Cu原子对Si团簇的形成影响不同，Mg原子的加入促进了基体中富含Si、Mg原子团簇的析出，为β序列沉淀相的形成提供了成分基础。β序列沉淀相中具有多个结构成分的β相，成分为Mg9Si5的相为最稳定的β相结构。β沉淀序列中GP区、β相、β相、β相的热力学稳定性依次增强，随着时效时间的延长或温度的升高，沉淀相将依次析出，这与沉淀相析出序列SSS-GP区-β-β-β完全符合。采用3DAP技术对富Si、高Cu/Mg比的Al-Si-Cu-Mg（wt%）合金时效初期的微观组织的研究表明：合金时效0.25h时，基体中主要存在小尺寸的富含Si、Mg原子的点状Si-Mg-Cu团簇和Si-Mg团簇。这一实验结果很好地证实了KMC模拟结果的正确性。同时与三元合金相比，四元合金中团簇数量更多，尺寸更小。3DAP实验表明合金时效0.25~4h的过程中，团簇结构逐渐向板条状的Q相转变。并且时效4h时出现了小尺寸的富Cu原子结构。
【作者】田畅；
【导师】李荣德；
【作者基本信息】沈阳工业大学，材料加工工程，2014，博士
【关键词】Al-Si系合金；第一性原理；动力学蒙特卡罗方法；析出序列；组织演变；

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