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     

合金元素韧化或脆化FeAl金属间化合物的微观机制

通过测量二元FeAl以及含B，Zr或Si的FeAl合金的正电子寿命谱参数，计算合金基体和缺陷处的价电子密度.结果表明，当Al原子和Fe原子结合形成FeAl合金时，Al原子提供价电子与Fe原子的3d电子形成局域的共价键.FeAl合金基体的价电子密度很低，FeAl合金中金属键和共价键共存.FeAl合金晶界缺陷的开空间大于Fe空位或Al空位的开空间，FeAl合金晶界处的金属键合力很弱.在FeAl合金中加入少量的B，一部分B原子以间隙方式固溶到FeAl基体中，增加基体的价电子密度；另一部分B原子偏聚到FeAl合金的晶界上，也增加了晶界处的价电子密度.在FeAl合金中加入Zr，增加了合金中的金属键成分，使基体中的价电子密度增加，增强了基体中金属键合力.Zr原子的加入还降低了FeAl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.Zr原子在晶界附近出现，还增加了晶界处的价电子密度.在FeAl中加入B或Zr有利于提高合金的韧性.在FeAl合金中加入Si，晶界处的Si原子与邻近的原子形成强的共价键，使得在晶界处参与形成金属键的价电子密度降低.在FeAl中加入Si使合金更脆. 关键词：     

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 .     

Al89La6Ni5非晶合金的第一性原理分子动力学模拟

采用第一性原理分子动力学（AIMD）方法模拟 Al89La6Ni5 合金的退火过程，结合双体相关函数和配位多面体（团簇）分布分析了体系短程有序结构随温度的演化. 结构分析表明，非晶态 Al89La6Ni5 原子短程有序结构近似密堆排列；在非晶形成过程中，Al 原子周围短程有序结构几乎没有发生变化，而 La 和 Ni 原子周围环境发生明显改变，由此推测，La 原子的加入改变了 Ni 原子周围的短程有序结构，因而增加了 Al-La-Ni 体系的非晶形成能力；Al 原子和 Ni 原子间存在 Al-Ni 共价键作用，电子态密度的计算说明，费米面附近 Al-p 和 Ni-d 之间电子的相互作用是 Al-Ni 原子间形成局域共价键的原因.     

Al89La6Ni5非晶合金的第一性原理分子动力学模拟

采用第一性原理分子动力学（ AIMD）方法模拟 Al89 La6 Ni5合金的退火过程,结合双体相关函数和配位多面体（团簇）分布分析了体系短程有序结构随温度的演化。结构分析表明,非晶态 Al89 La6 Ni5原子短程有序结构近似密堆排列;在非晶形成过程中,Al 原子周围短程有序结构几乎没有发生变化,而 La 和 Ni原子周围环境发生明显改变,由此推测,La 原子的加入改变了 Ni 原子周围的短程有序结构,因而增加了Al－La－Ni 体系的非晶形成能力;Al 原子和Ni原子间存在Al－Ni共价键作用,电子态密度的计算说明,费米面附近Al－p和Ni－d 之间电子的相互作用是Al－Ni原子间形成局域共价键的原因。     

杂质P对α-Fe中刃型位错上扭折电子结构的影响

利用离散变分方法和DMol方法，研究了P对bcc Fe中［100］(010)刃型位错上扭折电子结构的影响，计算了杂质偏聚能、原子间相互作用能、电荷密度及态密度.计算结果表明：微量P引入体系后，电荷发生了重新分布，P原子得到电子，其周围Fe原子失去电子，由于P原子的3p轨道与近邻Fe原子的3d4s4p轨道之间杂化，使P原子与近邻Fe原子间有较强的相互作用，不利于扭折的迁移，使位错运动受阻，有利于材料强度的提高.同时，杂质P原子与基体原子间的成键主要是d，p轨道起作用，使得它们之间的成键有较强的方向性，有可能     

稀土对镁合金应力腐蚀影响电子理论研究

建立了镁合金纯净晶界及其析出Mg₁₇Al₁₂相的晶界原子集团，应用实空间的递归方法计算了铝、稀土元素在晶界的偏聚能，晶界处铝、稀土原子间相互作用能和不同体系的费米能级.讨论了铝、稀土在晶界的偏聚行为，铝、稀土原子间的相互作用与有序化的关系及稀土对镁合金晶间应力腐蚀影响的物理本质.研究发现：铝、稀土原子偏聚于晶界；铝原子间相互排斥，在晶界区形成有序相Mg₁₇Al₁₂，稀土原子间互相吸引，形成原子团簇；稀土原子团吸引铝原子，使铝原子渗入稀土团簇中，形成稀土化合物.因此，稀土具有抑制铝在晶界形成导致应力腐蚀的阴极相Mg₁₇Al₁₂的作用，提高镁合金的晶间应力腐蚀抗力. 关键词： 电子理论 镁合金 应力腐蚀 稀土     

杂质P对α-Fe中刃型位错上扭折电子结构的影响

利用离散变分方法和DMol方法,研究了P对bcc Fe中［100］(010)刃型位错上扭折电子结构的影响,计算了杂质偏聚能、原子间相互作用能、电荷密度及态密度.计算结果表明：微量P引入体系后,电荷发生了重新分布,P原子得到电子,其周围Fe原子失去电子,由于P原子的3p轨道与近邻Fe原子的3d4s4p轨道之间杂化,使P原子与近邻Fe原子间有较强的相互作用,不利于扭折的迁移,使位错运动受阻,有利于材料强度的提高.同时,杂质P原子与基体原子间的成键主要是d,p轨道起作用,使得它们之间的成键有较强的方向性,有可能 关键词： 电子结构 刃型位错 扭折 杂质元素     

杂质S对Fe/Al_2O_3界面结合影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,研究了杂质S对Fe/Al_2O_3界面结合的影响.计算结果表明:S在界面上Fe3原子处的界面偏析能最小,因此S易于向Fe3原子处偏析.Fe/Al_2O_3界面的结合主要受界面两侧Fe和O原子间相互作用控制.态密度、键重叠布居数和电子密度的计算结果均表明:S在界面处的偏析减弱了界面处Fe原子和O原子之间的相互作用,而且S的存在会引起Fe和O原子之间较强的静电排斥,这些导致了界面结合力的下降.研究结果可以使我们深入理解S在Fe-Cr-Al合金界面处的偏析造成氧化膜与合金基体结合减弱及氧化膜在S偏聚处剥离的机理.     

Al晶界的第一性原理拉伸试验

基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理方法，进行了Al晶界的第一性原理拉伸试验.得到Al晶界的理论拉伸强度为9.5 GPa，对应的应变为16%.根据价电荷密度、键长和原子构型随应变的变化，我们证实断裂发生在晶界面，其特征是所有界面键的断裂.同时还发现在周围原子键的数目减少的情况下，界面重构的Al-Al原子键具有共价键的性质.因此Al晶界依然保持着较高的界面强度. 关键词： Al晶界 第一性原理拉伸试验 理论拉伸强度     

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     

ZA27合金晶界处铁、稀土元素的有序化与交互作用

为从理论上揭示铁、稀土元素在锌铝合金晶界处的行为本质，建立了ZA27合金中α相大角度重位点阵晶界模型，利用递归法(Recursion)计算了晶界的电子结构(状态密度、费米能级、结构能).用晶界结构能定义合金的团簇能(有序能)，并计算了偏聚铁及稀土晶界的团簇能.计算结果表明：铁、稀土元素在锌铝合金晶界处团簇能为正值，不能形成团簇，具有有序化倾向，趋于形成稳定的金属间化合物.铁与稀土元素在晶界形成负电中心，降低晶界的费米能级. 关键词： 稀土 晶界 电子结构 有序化     

Effect of element Re on the grain boundary cohesion of α-Fe

The effect of Re segregation on the α-Fe ∑5 [001] （010） grain boundary （GB） is investigated by using a software called DMol and discrete variational method （DVM）. Based on the Rice Wang model, the calculated segregation energy and defect formation energy show that Re is a strong cohesive enhancer. We also calculated the interatomic energy （IE） and bond order （BO） of several atomic pairs to investigate the mechanism of the cohesive effect of Re microscopically and locally. The results show that IEs of atomic pairs formed by those atoms which cross the plane of GB are strengthened due to the segregation of Re, while the BOs of the corresponding pairs are slightly decreased. This discrepancy demonstrates that IE which contains the Hamiltoniaa of interaction between atoms is a good quantity to describe the bonding strength. The analysis suggests that the electronic effect between atomic pair which comes directly from Hamiltonian is the key factor, The charge density is also presented, and the result indicates that the bonding strength between the Fe atoms on the GB is enhanced due to the segregation of Re, which is consistent with the analysis of IE.     

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     

Grain boundary sliding in pure and segregated bicrystals: a molecular dynamics and first principles study

Sliding behaviors of Σ9(221) grain boundary bicrystals have been investigated in pure metals (Al, Ag, Au, Cu, Pt and Co) and in segregated metals (Cu segregated by Al, Ag, Au, Pt and Co) by molecular dynamics simulations and first-principles calculations. The grain boundary energy, the atomic size and the electronegativity of the segregated elements were not critical for the occurrence of grain boundary sliding. On the other hand, the sliding rate increased as the minimum charge density decreased at the bond critical point. This was the case for both pure grain boundary models and segregated grain boundary models. Therefore, it seems that the sliding rate depends on atomic movement at sites with minimum charge density, irrespective of the elements involved and of the presence of segregated atoms.     

基于第一性原理的含空位a-Fe和H原子相互作用研究

氢致裂纹是制约超高强度钢应用的关键问题,掌握扩散氢的分布行为有助于弄清氢致裂纹的形成机理.本文采用第一性原理方法计算了H原子占据α-Fe晶格间隙和空位时的情况,得到了晶体的稳定构型及能量,并据此分析了H原子在晶格间隙和空位中的溶解倾向;从Mulliken布居、电子密度分布、态密度分布等角度分析了H原子与α-Fe晶体间隙和空位之间的相互作用.结果表明:间隙H原子倾向占据α-Fe四面体间隙位,其1s轨道电子与Fe的4s轨道电子呈微弱共轭杂化;空位是强氢陷阱, H原子倾向占据空位内壁附近的等电荷面.在真空0 K条件下单空位最多稳定溶解3个H原子,且H原子之间未表现出自发形成H2的倾向;间隙和空位中的H原子溶入改变了Fe晶格内电子分布导致原子结合力弱化,并在局部区域形成反键.基于第一性原理能量计算结果开展热力学分析,分析结果表明大多数情况下间隙H原子都是H主要的固溶形式, H平衡溶解度计算结果与实际符合良好.     

硫原子在镍基合金825(001)面吸附的第一性原理研究

元素硫在镍基合金表面吸附产生严重的电化学腐蚀,为从原子尺度研究硫腐蚀机理,采用第一性原理方法,构建并优化了镍基合金825的晶胞结构模型,计算分析了S原子在镍基合金825耐蚀性较差面(001)晶面的吸附及电子转移情况.结果表明:Ni原子占据顶角, Cr原子和Fe原子对称占据面心是镍基合金825稳定的晶胞结构;原子S在镍基合金825(001)面上最稳定的吸附位为四重穴位,吸附能为-6.51 eV; S吸附前后的态密度(DOS)和二维电荷差分密度图(DCD)对比发现,镍基合金825中Fe与S之间电荷偏移明显,形成离子键,易生成腐蚀产物Fe_xS_y. S的吸附对镍基合金825中Cr原子的电子分布影响不大,且合金中Cr和Ni抑制了合金中Fe与S之间的相互作用,从而提高了合金耐蚀性.