应变和吸附物对铝合金典型表/界面性能影响的密度泛函计算

铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性好、易于加工成型等优点，已广泛应用于航空、船舶、石油、化工等国民经济领域。然而，铝合金在使用过程中会出现点蚀或应力腐蚀等失效现象，进而导致铝合金结构和功能的失效。特别是，应力腐蚀问题严重限制了高强铝合金的进一步发展。目前，许多研究者认为，氢积累的不均匀性和内外应力将对高山材料产生重要影响。基于第一性原理计算方法，模拟了各种吸附剂与铝合金金属表面的相互作用过程，分析了氢原子促进铝合金相界面裂纹源萌生的机理，研究了析出相/铝基界面结合强度对合金抗断裂性能影响的微观机理。首先，研究了Cl－、H2O和OH在Al表面的共吸附行为，分析了H2O分子离解的微观条件，探讨了应变和Cl对离解反应和金属表面损伤的影响机制。通过分析Al表面在不同应变条件下的稳定构型，发现大应变不适合描述模型的表面能和空位形成能，指出应变和Cl对表面的损伤源于空位与Al原子和o-Al原子的相互作用。还指出，对于不同的H2O／OH－比，H2O分子在Al表面的离解需要同时满足三个充分条件：1）H2O和OH必须相邻。2） H2O中的h必须指向OH-3中的O原子）H2O中的两个h不能同时指向两个相邻的O原子。Cl——和OH——在H2O分子的解离中发挥了不同的作用，因为Cl——没有直接参与H2O的解离反应，而是起到了催化作用。该菌株将降低H2O分子解离反应的过渡态能量屏障，并促进H2O分子对Al表面的破坏。其次，模拟了应变对Al-Cu-mg-Zn合金中由“相”（Mg2Zn3Al4）和Al基体组成的组合体模型（C体模型）和组合表面模型（C面）断裂过程的影响，以及H原子在表面的吸附和渗透过程，以探索氢原子促进裂纹萌生的微观机制。研究发现，对于C体模型，断裂模式为脆性断裂，相界附近的Al相中的原子出现了明显的变形和重构。对于C表面模型，断裂模式为韧性断裂，界面原子在拉伸应变作用下变得无序。通过设计氢原子促进裂纹源萌生的三个阶段（全吸附、半吸附、半渗透和全渗透），研究了氢原子和应变对C表面断裂的影响。由于氢原子的吸附和嵌入位置不同，三个阶段的C面模型断裂形式不同。因此，氢原子之间的斥力是促使相界裂纹源产生的根本原因。在相边界处，Mg-h和相性质之间的相互作用也会影响。氢原子引起的原子畸变是Al-Cu-mg-Zn合金失效的关键。最后，研究了Al-Mg-Si合金中的“/”与键合的关系Al界面的强度和断裂抗力。结果表明，在Si浓缩的条件下，理论设计的界面模型（LS3T4和LS4T4）高于热力学稳定性的实验观测模型。界面模型的粘附功计算结果表明，LS1T2和LS2T2模型具有较强的界面粘结强度，粘附功主要受“终端”的影响。根据Griffith断裂理论，Al-Mg-Si合金中’/Al相的断裂取决于界面Si/Mg的含量比。界面结构的键合强度与界面处mg-Al键和Si-Al键的键电荷有关。电子结构分析表明，Si-Al键的结合力比mg-Al键的结合力强。Si-Al（Si-Al键与界面的夹角）影响界面的结合强度，mg-Al（mg-Al键与界面的夹角）影响’/Al界面的断裂抗力。此外，界面强度和断裂抗力也与高能电子轨道的杂化有关。因此，调整界面原子键的类型和角度可能会影响合金界面的键合强度和断裂抗力。综上所述，通过施加应变条件，模拟了具有空位缺陷的Al表面与各种吸附剂相互作用的微观过程，提取了应变影响分子离解的微观机理。得到了应变诱导复合表面断裂的条件，阐述了应变加载过程中氢原子对复合表面断裂的影响机理。建立了界面结合性能与析出相力学性能之间的关系，界面结合强度与界面断裂抗力之间的关系。