锌镁铜元素在铝及铝合金中界面扩散机制的研究

Due to the low density, high specific strength, excellent hot workability and so on, Al-based alloys have been widely used in aerospace industry, microelectronics filed, automobile and etc. Because of the high contents of alloying elements, many precipitates have been formed easily in the grain boundaries, and which can be results to the more cracking，and the fracture toughness and stress corrosion cracking decreased significantly. Whereas, the behaviors interface diffusion of alloying elements in Al-matrix are very interesting, and which can be used to guidance the development and design novel high-strength Al-based alloys. In this project, the first-principles calculations, molecular dynamic, molecular mechanics, SEM，TEM, XRD, EPMA, metallurgical microscope and mechanical properties have been employed to obtain the diffusion behaviors of Zn, Mg, and Cu in Al-matrix. The different interfaces and several of temperatures and time have been taken into accounted in this project. The final results of this work will help understand the interface diffusion mechanism and properties of Al-based alloys.

铝合金由于其具有密度低、比强度高、热加工性能好等优点，被广泛地应用于航空、航天、汽车及微电子等领域。铝合金中由于合金元素含量高，容易在晶界处富集形成高密度析出相，导致合金开裂现象显著，断裂韧性和抗应力腐蚀性能显著下降。因此，对合金元素在铝合金基体中界面扩散行为的系统研究可为制备高性能高强铝合金提供良好的指导。本项目拟采用第一性原理、分子动力学、分子静力学等理论模拟方法，同时利用扫描电镜、透射电镜、X-射线衍射、电子探针、金相显微镜及力学性能测试等实验方法相结合对Zn、Mg、Cu在Al基体中不同界面情况下的扩散随着温度、时间的扩散及其对材料力学性能的影响进行系统研究。本研究工作的完成有望为合金元素在Al基体中的界面扩散特性和扩散对材料力学性能的影响提供有益的参考。

铝合金由于其具有密度低、比强度高、热加工性能好等优点，被广泛地应用于航空、航天、汽车及微电子等领域。铝合金中由于合金元素含量高，容易在晶界处富集形成高密度析出相，导致合金开裂现象显著，断裂韧性和抗应力腐蚀性能显著下降。因此，对合金元素在铝合金基体中界面扩散行为的系统研究可为制备高性能高强铝合金提供良好的指导。本项目采用实验结合理论的方法对Al-Zn-Mg-Cu四元系的扩散行为及力学性质进行了系统的研究，获得了以下成果：（1）建立了Al-Zn-Mg-Cu四元系MEAM原子间相互作用势，为系统地进行分子动力学模拟研究打下了坚实的基础。（2）利用扩散偶结合长时间高温真空退火技术，获得了扩散层与温度和时间的关系，利用电子探针微区成分分析技术系统地测定了Al/Zn、Al/Mg、Al/Cu、Mg/Zn、Cu/Zn、AlZn/Mg、AlZn/Cu、Al/Zr、Cu/Zr、Ni/Zr、Cr/Zn、Ni/Zn、Zr/Zn等体系的界面扩散系数、生长常数，并计算了扩散激活能等，利用纳米压痕技术对这些合金系统生成相的硬度和弹性模量等力学性能进行了测定。（3）利用基于密度泛函的第一性原理对Al8Fe4RE、AlFe2B2等化合物的相稳定性、力学性质及电子结构等进行了计算研究，获得了一系列计算成果。（4）利用经典分子动力学对Al/Ni、Zr/Ni的界面扩散进行了模拟，研究了扩散过程中的原子的非晶化行为、扩散性质、和中间相团簇的形成。.本项目的研究成果为合金元素在Al基体中的界面扩散特性和扩散对材料力学性能的影响提供有益的参考。.