● 摘要
杂质偏析引起的晶界脆化直接影响着金属材料的机械性能，但是其机制至今还没有完全清楚。迄今为止，研究晶界脆化的主要方法是从“能量”的观点，即根据Rice-Wang的热力学模型，通过第一原理方法计算杂质原子在晶界和断裂后的自由表面的偏析能之差，判断该杂质元素是否为脆化元素。另一方面，由于材料的断裂过程总是与应力直接相关，为了进一步揭示晶界脆化本质，必须研究系统在应力作用下的性质以及强度和韧性等力学性能。“第一原理拉伸试验” 是近年来发展起来的先进的材料计算技术，其方法是通过第一原理方法，应用Nielsen-Martin应力计算理论计算不同应变情况下作用在系统上的平均应力，由此得到理论应力-应变关系曲线，从而确定材料的理论拉伸强度和理论韧性等力学性能。同时，通过分析晶界附近原子键的键长和界面结构随应变的变化，可以揭示原子层次的晶界断裂微观机制。 本论文通过实施“第一原理拉伸试验”，首次从“应力”的角度研究了Na、Ca、S和Ga杂质偏析对Al晶界的结构与力学性能的影响。研究表明，纯Al晶界的理论拉伸强度和理论韧性分别为9.50GPa和1.36GPa。Na偏析Al晶界的理论拉伸强度和理论韧性为4.73GPa和0.39GPa，比纯Al晶界的理论拉伸强度和理论韧性分别降低了50％和72％；Ca偏析Al晶界的理论拉伸强度和理论韧性为8.26GPa和0.93GPa，相比纯Al晶界降低了13％和32％；S偏析Al晶界的理论拉伸强度和理论韧性为7.80GPa和1.12GPa，相比纯Al晶界均降低了18％；Ga层偏析Al晶界的理论拉伸强度和理论韧性为7.85GPa和1.10GPa，相比纯Al晶界降低了17％和19％。这些杂质偏析均降低了Al晶界的强度和韧性。 通过分析晶界附近原子键的键长和界面结构随应变的变化，给出了晶界断裂的“原子键微观图像”。界面重构键是决定晶界断裂的主要因素，同时这些重构键的先后断裂解释了“双重应力极值”的有趣现象。不同杂质偏析导致Al晶界强度降低的微观本质不同。Na和Ca因其价电子数目少于Al，同时其偏析造成晶界膨胀，导致界面上所有的Na或Ca与Al原子之间的键，以及Al-Al键均变得较弱，造成晶界强度的降低；S引起的晶界弱化源于S自身键的内禀特性，使得S原子与晶界上大多数邻近的Al原子之间的结合均较弱，导致了Al-S界面键较弱；而Ga因为其电负性强于Al，发生从Al至Ga的电荷转移，更多的Ga偏析会在晶界形成类α-Ga异相结构，导致界面强度的降低。杂质偏析引起的Al晶界脆化应主要源于杂质偏析导致的晶界强度的降低。 在Al合金的制造和回收过程中，会不可避免地混入Na、Ca等微量杂质，同时这些杂质很难完全除去。因此，可以通过增加晶界强度的方法来达到抑制晶界脆化的目的。应用“第一原理拉伸试验”的方法，我们研究了Si对于Na偏析Al晶界结构和力学性能的影响。研究结果表明，在晶界上加入Si元素可以使Na偏析Al晶界的理论拉伸强度和理论韧性分别增加61％和92％，因此可以有效地抑制晶界脆化。我们据此提出了在Al合金中加入增强元素以提高晶界强度，从而抑制晶界脆化改善Al合金力学性能的方法。