铝合金析出强化过程微观结构演变的热力学与动力学系统集成

多元多相材料微观结构演变的定量描述是材料设计的核心，是实现材料性能重大突破的关键。本项目以航空航天、汽车等领域广泛应用的Al-Mg-Si-X(X=Cu,Mn）体系为研究对象:采用X射线衍射,TEM及第一性原理计算来确定亚稳相的晶体结构,结合晶格振动、电子激活对自由能的贡献获得亚稳相的热力学性质;通过第一性原理、相图计算及相图热力学测定的集成,建立描述时效强化过程亚稳相相变的科学方法;测定三元相沿整个扩散通道的扩散系数，结合嵌入原子和分子动力学方法计算元素在亚稳态的扩散系数,优化原子移动性参数，建立获得多元相扩散系数的新方法;改进界面能现有计算方法,用弹性理论计算弹性应变能;开发相场方法的快速算法,将此方法同热力学、扩散动力学计算相耦合定量描述微观结构的演变;实测相变序列、相体积及形貌和大小以细化微观结构演变模拟的新思路。所建立的方法可望为多元多相材料微观结构描述提供一种可采纳的新方法。

多元多相材料微观结构演变的定量描述是材料设计的核心，是实现材料性能重大突破的关键。研究人员围绕航空航天、汽车等领域广泛应用的Al-Mg-Si-X(X=Cu,Mn)体系的稳定相和亚稳相展开研究，建立了合金体系精准的热力学和扩散动力学数据库，并通过多种研究方法的集成发展了描述多元多相材料微观结构性质和演变过程的科学方法。项目资助期间取得了如下重要成果：（1）采用X射线衍射，TEM及第一性原理计算确定了Al基合金体系重要亚稳相的晶体结构；（2）采用第一性原理计算，并考虑晶格振动和热电子激发对自由能的贡献获得了亚稳相的热力学性质；（3）通过第一性原理计算、相图计算及关键实验的系统集成，建立了描述时效强化过程亚稳相相变的过程的方法；（4）建立了迄今为止国际上最准确的多元Al合金Al–Cu–Fe–Mg–Mn–Ni–Si–Zn体系的相图热力学和扩散动力学数据库；（5）发展了考虑界面有限耗散的新相场模型，消除了现有相场模型处理界面成分时的热力学假设。该模型可用于描述材料制备过程任意的非平衡过程。通过将该模型同相图热力学、扩散动力学数据库耦合，定量模拟了Al合金凝固和时效过程的微观结构演变。所建立的方法可望为多元多相材料微观结构描述提供一种可采纳的新方法。在Acta Mater.、CALPHAD、Intermetallics、Int. J. Mat. Res.、Mater. Sci. & Eng. A、J. Alloys Compd. Thermochimica Acta等国际著名刊物上发表发表论文117篇（其中，SCI收录论文112篇，EI收录论文103篇）。培养博士研究生10名，硕士研究生6名，其中1名被选为德国“洪堡学者”，6位在欧美大学做博士后。获湖南省自然科学一等奖1项。