Al-Cu-X合金时效初期微观结构演变的计算机模拟

论文摘要

时效强化是铝合金强化的重要手段之一。采用计算机模拟合金时效初期的沉淀过程,揭示其沉淀机制,弥补实验手段的不足,进而精确控制其显微组织,对材料科学非常有意义。本文通过基于Multi-States Ising Model的Monte Carlo算法,建立模型,并采用VC++6.0开发行之有效的应用程序,模拟了Al-4.0%Cu-X合金时效初期微观结构的演变过程。通过分析模拟结果,深入探究了时效初期Cu原子团簇的偏聚过程,揭示了合金元素Mg、Ag等对Cu原子在{100}面上的团簇化过程的影响。模拟结果表明:在Al-4.0%Cu合金时效初期,Cu原子在{100}面上有强烈丛聚的倾向。时效初期十几秒时,Cu原子已倾向于强烈偏聚,在连续的几层{100}原子面上出现了较大的Cu原子簇。模拟结果中Cu原子的偏聚,是与早期对Al-Cu合金的研究结果相一致,对GP区的观察结果证实了Cu在Al基体中的偏聚。在Al-4.0%Cu-1.0%Mg合金中Cu原子簇的丛聚过程相当平缓。1.0%Mg的加入能显著地抑制Cu原子簇的聚集长大,明显降低Cu原子团簇的平均尺寸,这种抑制作用从时效开始不久就明显地表现了出来。Mg捕获了Cu原子赖以扩散的空位从而抑制了Cu原子的丛聚。Mg-Cu原子间存在强烈的交互作用,使得基体中出现了大量Mg-Cu空位原子团簇。在Al-4.0%Cu-1.0%Ag合金中1.0%Ag的加入对Cu原子的偏聚无明显影响。在Al-4.0%Cu-0.5%Mg-1.0%Ag合金中,Mg和Ag的同时加入显著抑制了Cu原子在{100)面上的偏聚。Ag的作用是通过Mg、Ag原子间存在的强烈相互作用形成了Mg/Ag原子团簇从而调整Cu原子团簇的偏聚形态。由于Mg、Ag原子团簇增加了晶格畸变能,导致由团簇化过程而锁定的Cu原子被置换出来,从而抑制了Cu原子在{100}面上的偏聚,并影响随后的析出相分布形态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 铝合金的发展动态及趋势
• 1.3 铝合金计算机模拟的国内外研究动态
• 1.4 合金时效处理机制
• 1.4.1 时效强化过程
• 1.4.2 Al-Cu-Mg合金的时效强化
• 1.5 空位的迁移理论
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第二章 Al-Cu合金时效强化过程数值模型
• 2.1 Al-Cu合金中溶质原子移动过程数值模型
• 2.1.1 模拟假设条件
• 2.1.2 原子迁移的数值模型
• 2.2 计算机数值模拟所需参数的确定
• 2.2.1 原子相互作用参数的选定
• 2.2.2 平衡空位浓度的选定
• 2.3 MC法模拟Al-Cu合金时效强化过程
• 第三章 合金时效初期原子分布状态
• 3.1 模拟条件
• 3.2 时效初期Al-Cu二元合金溶质原子及空位的分布形态
• 3.3 时效初期Al-Cu-Mg三元合金溶质原子分布形态
• 3.4 时效初期Al-Cu-Ag三元合金溶质原子及空位的分布形态
• 3.5 时效初期Al-Cu-Mg-Ag四元合金溶质原子及空位的分布形态
• 第四章 模拟结果分析
• 4.1 空位浓度对合金时效初期相变过程的影响
• 4.2 Cu原子分布状况及分析
• 4.3 Mg原子分布状况及分析
• 4.4 Ag原子分布状况及分析
• 4.5 模拟结果理论验证
• 第五章 时效强化机理的研究与分析
• 5.1 时效前期相变的形核
• 5.2 时效强化机理
• 5.3 自由能的变化对时效强化的影响
• 5.4 空位形成与作用对时效强化的影响
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢