金属熔体的电磁成形与凝固

材料的电磁加工是当今材料加工技术领域研究和发展的一个重点本文简述作为材料电磁加工技术理论基础的电磁流体力学的基本内容，给出电磁场各种功能的基本原理，着重阐述电磁力和焦耳热在金属熔体电磁成形与凝固过程中的应用。最后，介绍近年来开展的深过冷快速定向凝固、太阳能级硅电磁约束感应熔炼和超高梯度电磁约束成形定向凝固技术等方面研究的成果。

Al-Li合金时效初期的价键分析

运用固体经验电子理论(EET),对Al-Li合金时效初期的若干偏聚晶胞的价电子结构进行了计算。计算结果表明:不包含空位的偏聚晶胞的键络最强键为Al—Al键,其中Al原子的共价半径较Li原子的共价半径要大;而含空位的偏聚晶胞的最强键为Al—Li键,Al原子的共价半径要比Li原子的共价半径要小;在空位存在的情况下,由于Al原子与Li原子的电负性相差明显,促使Al和Li原子结合,倾向形成Al-Li短程序结构偏聚区,这种含空位的短程序结构很可能就是δ′(Al3Li)亚稳相的前兆结构和生长胚胎;由于Al-Li-空位有序偏聚晶胞的Al—Li键络比基体键络要强许多,因此,淬火过程中合金生成的Al-Li-空位偏聚晶胞对合金过饱和固溶体起主要强化作用;后续析出的δ′(Al3Li)亚稳相键络各项异性显著,键络强度明显提高;由于Al3Li与基体共格,其大量均匀弥散析出起到提升基体整体键络强度,同样对合金产生强化作用。

铜合金固溶强化的电子理论解释

基于固体与分子经验电子理论(EET),建立Cu-Cr合金的相空间价电子结构计算模型和方法,计算不同Cr含量的铜合金中各个结构单元的相空间价电子结构,从相空间价电子结构角度探讨合金元素的合金化行为,从电子结构层次探讨合金元素对基体所产生的固溶强化效应;提出与铜合金的固溶强化相关的价电子结构参数—固溶强化综合判定因子,并对不同合金的判定因子进行计算。结果表明,提出的固溶强化综合判定因子能够解释合金元素对基体的固溶强化效果,且与实验结果相符。

电子理论在材料科学中的应用

介绍密度泛函理论(DFT)、余氏理论(EET)和程氏理论(TFDC),综述DFT在功能材料、结构材料和表面科学等领域中的应用,EET在金属材料和陶瓷材料等领域中的应用,以及TFDC在晶体中位错稳定性、簿膜内应力、纳米材料等领域中的应用,阐述了3种电子理论的相互关系和应用特点,展望3种电子理论的应用前景,指出三者的有机结合是电子理论发展的有效途径。

合金γ-TiAl价电子结构的计算及其力学性能

利用固体与分子经验电子理论计算了合金γ-TiAl及γ-TiAl、α-Ti、β-Ti、α2-Ti3Al的价电子结构;利用价电子结构给出的信息-相结构因子σN、F、ρLV、ρCV和键络的空间分布nα,讨论了γ-TiAl、合金γ-TiAl的价电子结构及其与力学性能的关系,分析了合金元素的合金化行为,提出了改善γ合金力学性能的有效途径。

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中不同区域电子结构及应力腐蚀机理分析

利用计算机编程建立了Al-Zn-Mg-Cu合金(7175铝合金)中α-Al,η相及α-Al大角度晶界原子集团模型,采用递归法计算合金中Zn,Mg,Cu和H的环境敏感镶嵌能、原子间相互作用能、Fermi能级和态密度等电子结构参数,分析了合金的应力腐蚀机理。计算结果表明:Mg,Cu和H容易在晶界偏析。Mg对H具有吸引作用,促进H在晶界偏析,引起晶界氢脆;Zn增大晶界与晶内的电位差,降低合金抗腐蚀性;Cu能减小晶界与晶内Fermi能级差,降低晶界与晶内的电位差,具有减缓合金腐蚀的作用。计算结果还表明:η相的Fermi能级最高,腐蚀过程中作为阳极优先溶解。由于η相俘获H,当晶界析出断续η相时可减弱晶界H的偏析,提高抗腐蚀性;但晶界连续分布η相则形成腐蚀通道,加速腐蚀进程。

锌铝合金中稀土及杂质的晶界行为

用分子动力学方法获得了液态ZA27合金的原子集团,构造出ZA27合金α相与液相界面原子模型及α相大角度晶界模型.采用递归法计算了稀土及杂质元素在晶粒内、固液相界面及α相晶界处的环境敏感镶嵌能,分析了这些元素对晶界处铝、锌之间电子转移量的影响.从理论角度说明稀土、杂质元素在结晶时富集于固液相界前沿液体中,合金凝固后偏聚于晶界,并在晶界产生复杂的交互作用,进而影响合金的使用性能.

金属电极电位与费米能级的对应关系

通过计算机编程,建立了几种典型金属的原子团晶体模型.应用实空间Recursion方法,计算了这几种金属在纯净状态下的费米能级与电子态密度.由此得出随着金属的费米能级的升高,其电极电位会随之下降.而电子局域态密度分布在高能区的金属易失去电子,进行氧化反应.

Al-Cu合金亚稳相的价电子结构分析

应用固体电子理论 (EET) ,对Al Cu合金时效析出的若干亚稳相的价电子结构进行计算。结果表明 ,在时效初期 ,θ″相中Cu原子处于第七杂阶 ,比金属Cu的原子杂阶低 ,而最靠近Cu原子的Al原子则处于第五杂阶 ;由θ″相溶解形成相θ′时 ,Al原子处于第四杂阶 ,而Cu原子状态发生较大变化 ,从基体的第九杂阶上升到第十三杂阶 ,使得Cu原子的共价电子数有较大幅度的提高 ,因此形成的θ′亚稳相的最强共价键较θ″亚稳相的要强 1倍 。

Al-Cu合金时效初期的价电子结构

用固体经验电子理论(EET)对Al Cu合金时效初期的析出相的价电子结构进行计算。计算结果表明:合金基体析出的共格GP区、θ″相,具有比基体更强的共价键络,提升了合金的整体键络强度。从价电子结构层次上解释了时效初期的GP区和θ″相对合金强化作用的内在原因。

金属互连结构的电迁移失效分析新算法

综合考虑了电子风、温度梯度、应力梯度和原子密度梯度四种电迁移驱动机制,基于ANSYS软件平台和FORTRAN程序提出一种新的电迁移失效分析算法.通过ANSYS电-热-结构耦合分析获得模型的电流密度分布、温度分布和应力分布,基于FORTRAN编写的原子密度重分布算法获得不同时刻的原子密度,依据空洞生成和扩展失效准则进行电迁移动态空洞演化模拟并得到失效寿命.最后,SWEAT结构与CSP结构的应用算例验证了算法的精度.

LaNi_5电子结构与成键特征

利用电荷自洽离散变分Xα(SCC-DV-Xα)方法计算了LaNi5及其氢化物的电子结构,分析了LaNi5合金氢化物中氢原子与合金元素的成键方式,合金中氢化物形成元素与非形成元素的作用机理.在LaNi5的氢化物中, Ni4p与H1s轨道作用形成共价键; Ni原子与La原子也有轨道离域成键,但随氢原子的进入而减弱;吸氢使LaNi5的a轴比c轴更容易发生变化.

稀土在铸造锌铝合金ZA27变质中的作用机理研究

用分子动力学理论建立了液态ZA27合金模型,结合计算机编程构造出稀土化合物、α相、α相与液相共存时的原子结构模型,利用递归方法计算了稀土固溶于晶粒内和富集于晶界前沿时的电子结构,以及稀土化合物、α相、液态ZA27合金结构能.由此得出,稀土处于相界区比在晶内更稳定.从而解释了稀土在α相内溶解度很小,结晶时富集于相界前沿液体中,使α晶枝产生熔断、游离、增殖,且稀土化合物可作为α相异质核心细化晶粒的事实,进而从理论上揭示了稀土变质的机理.

铝晶粒细化机制的研究进展

系统论述了铝工业中常用的Al Ti、Al B、Al Ti B(Ti/B>2.22)、Al Ti B(Ti/B<2.22)、Al Ti C等5 大系列细化剂的细化机制,包括包晶理论、共晶理论、三元包晶理论、三元共晶理论、“碳化物硼化物粒子”理论、“TiC粒子团”理论、包晶“残骸”(hulk)理论、超形核(Hypernucleation)理论、双重形核机制(“duplex”nucleation mechanism)和复杂共晶机制等,分析了各种机制的科学性和局限性。

高合金化β钛合金拉伸延性的价电子理论分析

利用EET理论计算了钛合金β固溶体的价电子结构,并用相结构因子nA,F,σN,ρLV及键络空间分布nα讨论了合金元素对β钛合金相变点、拉伸延性及变形能力的影响,进而在电子结构层次上初步揭示了高合金化β钛合金作为大截面锻件使用时拉伸延性低的本质原因.

Al-Cu合金中θ相的价电子结构分析

运用经验电子理论(EET)对Al-Cu合金薄膜析出相θ(Al2Cu)的价电子结构进行计算.结果表明θ相中的Cu-Cu键最强,其次为Al-Cu键,它们的强度都比金属Cu的最强Cu-Cu键要强.Al-Cu合金薄膜互连线的电迁移寿命与在基体晶粒中析出具有强的共价键络的θ相紧密相关.θ相的析出提高了合金强度,延长了合金电迁移寿命.

VC、NbC、TaC 的价电子结构及其本质硬度

根据固体与分子经验电子理论对ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ相的价电子结构进行了定量分析，通过键距差（ＢｏｎｄＬｅｎｇｔｈＤｉｆｅｒｅｎｃｅ）方法计算了ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ晶体中各键上的共价电子数。结果表明，ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ中，晶体是靠键距为ａ２的Ｍｅ－Ｃ原子最强键连接的，且该最强键是对称分布的，从而解释了ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ相本质高硬度的产生原因。

稀土对镍基高温合金性能影响的电子理论研究

为从理论上解释稀土元素在镍基高温合金晶界区的行为本质,建立了镍基高温合金γ相大角度重位点阵晶界模型,应用Recursion方法计算了晶界偏聚稀土元素时的态密度,稀土在晶界的偏聚能以及稀土原子间的相互作用能。计算结果表明:晶界区含有稀土时,态密度双峰的高度有所降低,态密度在高能区明显上移,稀土含量越多其对晶界态密度的影响也越大;稀土原子偏聚于晶界,且主要偏聚于晶界的压缩区;稀土原子间相互排斥,因此在晶界区易形成有序相。稀土与杂质硫相互吸引,其结果是分散和固定部分杂质,改善合金高温性能。

Al-Mg-Si合金中U1和U2相的原子成键与性能

应用EET理论和改进的TFD理论对Al-Mg-Si合金时效过程中析出的U1与U2相的原子成键和结合能进行计算。结果表明:两相晶胞中最强键和次强键都是Al—Si键,其键络比基体Al晶胞中的最强键络都强得多;两析出相晶胞中都以较强的Al—Si键构成主要键络骨架结构,起到增强基体键络强度、强化合金的作用。由于析出相U1比析出相U2具有更强的Al—Si键络结构,且结合能较大,因此,相对U2相来说,U1相更稳定。计算结果还表明:(001)Al//(110)U1相界面处电荷保持连续且连续性较好,界面应变能较低,界面较稳定;界面(001)Al//(010)U2处的面电荷密度偏离连续条件,因此在此界面处,应力较大,界面原子键匹配较差,界面储能(应变能)较高,容易成为新相形核、长大和裂纹萌生的地方。

TiMe合金的价电子结构分析及结合能计算

应用固体与分子经验电子理论，采用键距差分析方法，分析了金属间化合物ＴｉＭｅ（Ｍｅ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕ）的价电子结构，确定了Ｔｉ及Ｍｅ元素在这些合金中的状态，所贡献的共价电子数、自由电子数以及共价电子在总价电子中所占的比例。结果发现随合金中价电子数的增加，合金的马氏体相变温度Ｍｓ有上升的趋势。在此基础上计算了这些合金的理论结合能，所得结果与实验事实相符。