Al，Cr共偏析Fe晶界对其结合强度影响的第一性原理研究

在密度泛函理论的框架下,采用广义梯度近似(GGA)研究了合金化元素Al,Cr在Fe (210)晶界共偏析的作用。结果表明Cr提高了Fe晶界结合,为韧性杂质;而Al减弱了晶界的结合,是脆性杂质。Cr不能够彻底地消除Al的脆化作用,反而使其脆性增强。基于偏聚能分析表明Cr能有效地阻止Al偏析到晶界,改变Fe的力学性能。     

Sr偏析Al晶界结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理赝势方法,计算了纯Al晶界和杂质Sr偏析Al晶界的原子结构和电子结构.结果表明Sr偏析引起了晶界膨胀和晶界处电子密度的大幅度降低,从而导致晶界结合力的减弱.这应为Sr杂质偏析引起的Al晶界脆化的主要根源所在. 关键词： Al晶界 Sr 杂质偏析 第一性原理计算     

稀土La在α-Fe中占位倾向及对晶界影响的第一性原理研究

本文采用重合位置点阵理论构建了α-Fe的Σ3[110](112)对称倾转晶界模型,通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了稀土La元素在α-Fe中的占位倾向.结果表明,La在α-Fe晶界的杂质形成能最低,因而La原子倾向于占据晶界区;掺杂La前后的α-Fe晶界电子结构计算结果显示,La占位于α-Fe晶界会使体系中的电荷发生重新分配,将提供更多电子用于晶界区成键,使得Fe原子得到更多的电子,这将导致掺杂区原子间结合有离子化趋势,从而使La与晶界区相邻Fe原子之间的相互作用加强,也使晶界原子与晶界两侧Fe原子的键合加强,从能量角度解释了材料宏观力学性能变化的原因;计算同时发现,La加入后,也使晶界上的原子成键区态密度左移,降低了体系的总能量,使晶界结构更为稳定.     

稀土及杂质元素对ZA27合金晶间腐蚀的影响

为了从本质上了解杂质与稀土元素对锌铝合金晶间腐蚀的影响 ,探索抑制合金晶间腐蚀的有效途径 ,依据晶界的大角度重位点阵理论编制出相应计算机软件 ,建立含稀土、杂质及 η相颗粒的α相大角度晶界原子集团模型 ,采用递归法计算了α相晶界间的电荷转移 ,由此讨论了杂质 (Pb、Sn、Cd)及稀土元素 (La、Y)对Zn、Al电极电位的影响 .结果表明 ,杂质Pb、Sn、Cd增大原子间的电荷转移量 ,提高Zn、Al电极电位差 ,加速合金的腐蚀 ,稀土元素减小原子间的电荷转移量 ,降低Zn、Al电极电位差 ,具有抑制晶间腐蚀的作用 .     

Fe-Cr合金晶界偏析及辐照加速晶界偏析的相场模拟

基于WBM相场模型对热力学条件和辐照条件下Fe-Cr合金晶界处Cr元素偏析行为进行了模拟.模拟结果表明温度对Fe-Cr合金晶界处Cr元素的偏析有很大影响:当温度低于500℃时,晶界处的偏析量很小;而当温度高于500℃时晶界处的偏析量增加明显.基体中Cr元素含量对晶界Cr元素的相对偏析量也有显著影响:随着基体中Cr元素含量的增加,相同模拟条件下晶界处Cr元素的相对浓度增量降低.辐照条件下,晶界处Cr元素的相对偏析量比热力学条件下的相对偏析量有明显增加;随着辐照剂量率的提高,晶界中心处Cr元素浓度增量变大;相同辐照条件下,随着Cr元素含量的增加,晶界处Cr元素的相对浓度增量也降低.     

用双粒子模型研究微量元素与Ni在Ni3Al晶界共富集现象

双粒子模型的基础是描述原子之间相互作用势为EAM(embedded atom method)势的Monte Carlo模拟.模型建议:在Ni3Al晶界弛豫时,微量元素原子既被看作为偏析子又被看作为诱发子.作为偏析子它在晶界偏析(或富集),作为诱发子它诱发Ni原子在晶界偏析(或富集).可见本模型能解析共偏析(或共富集)现象.根据正(或诱发子)效应与负(或偏析子)效应的联合影响,模型解释了Ni在Ni3Al晶界最明显富集现象.     

第一性原理方法研究He掺杂Al晶界力学性质

基于密度泛函理论方法,本文开展了氦掺杂AlΣ3((111)/180°)晶界数值模拟拉伸试验.计算结果表明,He在晶界中最低杂质形成能为2.942 eV,偏析到晶界的偏析能为0.085 eV;在拉伸条件下,清洁Σ3晶界的理论拉伸强度为9.65 GPa,拉伸断裂从晶界界面开始;而He掺杂后,晶界的理论拉伸强度下降到7.14 GPa,在断裂发生前应力曲线中出现平台效应,拉伸断裂从包含He杂质的界面开始.通过对比键长和电荷密度分布,本文认为He的满壳层电子结构一方面导致了He与Al之间 关键词： He 晶界 第一性原理计算 力学性质     

稀土La在$lt;em$gt;α$lt;/em$gt;-Fe中占位倾向及对晶界影响的第一性原理研究

本文采用重合位置点阵理论构建了 α-Fe的Σ3[110]（112）对称倾转晶界模型,通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了稀土La元素在 α-Fe中的占位倾向. 结果表明,La在 α-Fe晶界的杂质形成能最低,因而La原子倾向于占据晶界区;掺杂La前后的 α-Fe晶界电子结构计算结果显示,La占位于 α-Fe晶界会使体系中的电荷发生重新分配,将提供更多电子用于晶界区成键,使得Fe原子得到更多的电子,这将导致掺杂区原子间结合有离子化趋势,从而使La与晶界区相邻Fe原子之间的相互作用加强,也使晶界原子与晶界两侧Fe原子的键合加强,从能量角度解释了材料宏观力学性能变化的原因;计算同时发现,La加入后,也使晶界上的原子成键区态密度左移,降低了体系的总能量,使晶界结构更为稳定. 关键词： La α-Fe')" href="#">α-Fe 晶界 第一性原理     

基于深度卷积神经网络的α-Fe晶界能预测

本文提出了一种预测晶界能以研究α-Fe晶界性质的深度学习方法.在分子动力学生成的α-Fe对称倾斜晶界的基础上,通过中心对称参数和原子密度信息构造出晶界特征—积累中心对称参数,提出了数据增强和按倾斜角分层抽样的方法,建立了预测晶界能的卷积神经网络模型.测试集结果表明,预测晶界能的平均相对误差小于1.75%,平均每个晶界的预测用时在0.002 s以内.该方法在一定范围内具有较高的准确性和鲁棒性,提供了研究晶界的微观结构特征与宏观性能之间关联的途径.     

硼在fcc-Fe晶界偏析及对界面结合能力影响的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论计算了 B在fcc-Fe的∑3(112),∑5(210),∑5(310),∑9(114),∑9(221)和∑11(113)六种对称倾斜晶界的偏析行为,从原子和电子层次揭示了 B的偏析机制.结果表明:B更易偏析于∑5(210),∑5(310)和∑9(114)晶界,而在∑9(221),∑3(112)和∑11(113)晶界偏析的倾向较弱;B优先占据配位数最大、五面体或六面体构型的位置;拉伸实验和Rice-Wang热力学模型计算表明,B在晶界的偏析可提高界面的结合能力;B在E9(114)晶界偏析后电子结构引起局部电荷密度增加导致的化学效应优于结构变化带来的不利影响,B-p电子与Fe-s电子间的强相互作用提高了界面的结合能力.本研究结果对B优化奥氏体不锈钢界面结构具有一定指导作用.     

合金元素对α-Fe氢扩散行为影响的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了H原子在α-Fe和α-Fe-Me(Me=Cr、Mo、Ni、Cu、Mn)晶胞中的扩散行为,建立了α-Fe和α-Fe-Me中氢扩散系数与温度间的关系表达式,探讨了合金元素Me对α-Fe中H扩散行为的影响作用.研究结果表明:合金原子Me与H原子间存在一定的键合作用,并且这种键合作用主要由Me价电子的d、s轨道与H的1s轨道所贡献;Cr、Ni、Cu、Mn元素将降低H原子扩散激活能,而Mo元素会提高氢扩散激活能,显著降低氢扩散系数,这说明添加适量Mo元素将有利于防止铁素体氢致开裂,这将对抗H₂S应力腐蚀新材料的设计提供一定理论依据.     

Bi，Sb合金化对AZ91镁合金组织、性能影响机理研究

利用大角重位点阵模型建立了AZ91镁合金α相［0001］对称倾斜晶界原子结构模型，应用实空间的连分数方法计算了Mg合金的总结构能，合金元素引起的环境敏感镶嵌能及原子间相互作用能，讨论了主要合金元素Al及Bi，Sb在AZ91中的合金化行为.计算结果表明，Al，Bi，Sb固溶于α相内或晶界区使总结构能都降低，起到固溶强化作用；合金元素在AZ91α相内趋于均匀分布，在晶界区易占位于三角椎上部.AZ91镁合金中加入Bi或Sb时，Bi或Sb比Al容易偏聚于晶界，从而抑制了Al在晶界的偏聚，促进基体中连续的Mg₁₇Al₁₂相的析出，提高AZ91合金室温性能； AZ91合金中(α相内和晶界区)主要合金元素Al和微加元素Bi，Sb都能够形成有序相Mg₁₇Al₁₂，Mg₃Bi₂或Mg₃Sb₂，且在晶界区形成的量大.Bi，Sb加入AZ91合金中，由于Bi，Sb抑制Al在晶界的偏聚，晶界区主要析出相为Mg₃Bi₂或Mg₃Sb₂，提高镁合金高温性能. 关键词： 电子理论 合金化 晶界偏聚 镁合组织与性能     

钢中小角度晶界区的电子结构及掺杂效应

根据位错的弹性理论,建立了9Ni钢中53°掺杂小角度晶界的原子模型,利用Recursion方法,计算了杂质在53°小角度晶界典型环境中的能量和电子结构,由此得出,钢中小角度晶界的强度敏感地依赖于隔离杂质的类型,S,P杂质使晶粒间结合减弱,从而导致晶界疏松 ;相反,B,C,N则会使晶界间的结合加强.在所有的杂质中,B显示出独特的性质,在钢中B 不仅能增强晶界的结合,而且由于占位竞争效应会使其他杂质远离晶界,具有净化晶界的作用. 关键词： 小角晶界 杂质 占位竞争 晶界隔离     

用双粒子模型研究微量元素与Ni在Ni3Al晶界共富集现象

双粒子模型的基础是描述原子之间相互作用势为EAM(embedded atom method)势的Monte Carlo模拟. 模型建议：在Ni₃Al晶界弛豫时，微量元素原子既被看作为偏析子又被看作为诱发子. 作为偏析子它在晶界偏析(或富集)，作为诱发子它诱发Ni原子在晶界偏析(或富集). 可见本模型能解析共偏析(或共富集)现象. 根据正(或诱发子)效应与负(或偏析子)效应的联合影响，模型解释了Ni在Ni₃Al晶界最明显富集现象. 关键词： 偏析子与诱发子 基体效应 在晶界共富集 晶界内聚性     

第一性原理研究Zn偏析对CuΣ5晶界的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Zn偏析Cu晶界的原子构型和电子结构,分析了Zn偏析对Cu晶界力学性能的影响.结果表明,Zn以替换方式偏析到晶界处,Zn—Cu与Cu—Cu的成键方式类似,均为含有共价成分的金属键.Zn偏析导致少量电荷集聚于Zn与近邻Cu之间,有限地增强了晶界的结合.拉伸过程中Zn的d轨道定域性增强,Zn与近邻Cu间的电荷密度下降,削弱了Zn—Cu键,导致晶界断裂发生在Zn—Cu间.     

La、Al在Fe晶界上协同作用的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了稀土La和Al在bcc-Fe中Fe晶界处的协同作用影响.计算了La和Al在晶界、表面、晶内的形成能,建立La、Al共存于晶界模型,通过电荷密度、布居分布手段分析了La、Al原子对晶界的影响.结果表明:La、Al原子易偏聚在晶界处,且La-Al的原子间距与体系结合能成正比关系. La的掺杂改善了晶界处的电荷分布情况,促进了Al原子与周围Fe原子间的相互作用,态密度曲线的计算结果显示,La原子的加入能够使La、Fe及Al原子间的键的结合力更强,从而提高了界面结合强度.     

Cr、Mn、Co、Ni掺杂对Al13Fe4相稳定性和力学性能影响的第一性原理研

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了不同掺杂浓度下过渡族元素Cr、Mn、Co、Ni在Al13Fe4相中的占位情况、结构稳定性和机械性能. 计算得到所有的Al13(Fe24-xMx) (M=Cr、Mn、Co、Ni;X=1,2,4)相都具有良好的热力学稳定性和机械稳定性. 相同掺杂浓度化合物的形成焓按如下顺序减小：Al78(Fe24-xCrx) > Al78(Fe24-xMnx) > Al13Fe4 > Al78(Fe24-xNix) > Al78(Fe24-xCox).形成焓的降低增加了Al13Fe4相成核驱动力,Co和Ni有利于促进Al-Fe合金中Al13Fe4相形核,细化Al13Fe4相. 过渡族元素可以改善金属间化合物的脆性,增强塑性变形能力. 并且随着掺杂浓度的增加,过渡族元素的加入对脆性的改善呈先增大后减小的趋势.     

脉冲电流作用下LY12铝合金的微观结构和合金元素分布

研究了在凝固过程中施加脉冲电流对LY12铝合金微观结构和合金元素分布的影响.实验结果表明,在脉冲电流作用下,LY12合金的微观结构发生了明显变化,聚集在晶界和枝晶网的共晶组织大大减少,网络变得不连续,在晶内和晶界附近存在弥散的近似球状的共晶质点.另外,脉冲电流能有效地改善合金中Cu和Mg的成分偏析,其中对Cu在Al合金中的负偏析现象的改善更为显著,使Cu较均匀地分布于整个试样. 关键词： LY12铝合金 脉冲电流 显微结构 偏析     

合金元素Zr韧化不同计量比Ni3Al合金的微观机制

利用正电子湮没技术(PAT)测量了不同化学计量比二元Ni3Al合金及不同Zr含量Ni3Al合金的正电子寿命谱,并估算了合金基体和晶界缺陷处的自由电子密度.结果表明,二元Ni77Al23合金的基体和缺陷态的自由电子密度都比二元Ni74Al26合金的高.Ni3Al合金晶界缺陷处开空间大于Ni空位或Al空位的开空间,晶界缺陷处的自由电子密度很低,金属键合力很弱.过化学计量比Ni74Al26合金的晶界缺陷开空间比亚化学计量比Ni77Al23合金的大,晶界结合力更弱.这是Ni74Al26合金更脆的原因.在Ni3Al合金中加入Zr,增加了合金中的金属键成分,使基体中的自由电子密度增加,增强了基体金属键合力,同时降低了合金的有序度,使合金晶界容易弛豫,晶界缺陷的开空间变小.另外,Zr原子偏聚到晶界,增加了晶界处的自由电子密度,同时引起晶界处Al贫化,减少了强共价性Ni-Al和Al-Al键,使晶界更易于变形,有利于提高合金的塑性.     

晶粒尺寸和杂质对晶界钉扎力的影响

根据晶界钉扎的电子散射机制计算了晶界钉扎力与晶粒尺寸和样品杂质含量的关系。发现在中等杂质含量时(杂质参数α≈5)钉扎力极大。除了很纯的样品,晶界钉扎与晶粒尺寸关系不大。我们根据超导理论公式和实验数据拟合出联系相干长度与电子平均自由程的关系。讨论了钉扎理论中的若干问题。