TiAl/Ti3Al体系剪切变形的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了正化学比的TiAl/Ti₃Al双相体系中剪切变形诱发位错形核以及相关结构转变的动态过程以及切变力场对最终结构的影响.研究发现,在TiAl/Ti₃Al双相体系中剪切变形诱发黏滞-滑移式的滑移行为;界面在其中起到了传递能量、均衡协变的作用,界面两侧的异相结构保留了单相形变特征.六角密堆积（HCP）-Ti₃Al部分各原子层较长时间内呈整体剪切协变,其后形变分化为应力集中诱发层错区和初始完整结构回复区;而面心立方（FCC）-TiAl部分因刚性较大仅存在微协变,其后局部受力区直接诱发相邻原子层间相对滑移,发生FCC向HCP结构转变.变形结构方面,HCP-Ti₃Al部分在剪切力较大区域形成连续且稳定的FCC堆垛,近界面区FCC薄层与HCP相交替并存;而FCC-TiAl部分内禀层错和孪晶共存,当力场增大时形成亚稳HCP结构. 关键词： 3Al')" href="#">TiAl/Ti₃Al 分子动力学模拟 剪切变形 层错结构     

Fe合金FCC-BCC原子尺度台阶型马氏体相界面迁移行为的分子动力学模拟研究

两相界面的原子尺度结构对相界面迁移行为具有重要影响.高分辨透射电子显微分析表明钢中马氏体相界面具有高度为若干原子层间距的台阶结构,然而目前Fe合金马氏体相变的模拟研究工作中绝大多数使用非台阶型相界面结构作为模拟初始模型.本文基于拓扑模型和相变位错理论构建了Fe合金FCC/BCC台阶型相界面初始模型,采用分子动力学模拟方法研究了Fe合金马氏体相界面的迁移行为.研究结果表明,当两相界面具有约束共格匹配关系及台阶结构时,体系发生FCC→BCC马氏体相变并呈现典型的非扩散切变特征;相变过程中FCC/BCC宏观尺度相界面沿其法线方向以(4.4±0.3)×10~2 m/s的速度迁移,且相界面在迁移过程中始终保持稳定的台阶结构和相对平直的宏观界面形貌特征;相变位错的滑移速度高达(2.8±0.2)×10~3 m/s,相变位错阵列沿台阶面的协同侧向滑移不仅是马氏体台阶结构宏观相界面迁移的微观机制,也是马氏体相变宏观形状应变的主要来源;采用分子动力学模拟方法获得的Fe合金马氏体相变晶体学特征参量与拓扑模型的解析解数值非常接近,相变产生的整体宏观形状应变由平行于相界面的剪切应变和垂直于相界面的法向应变两部分组成.     

Ti纳米粒子熔化与凝结的原子尺度模拟

本文采用基于嵌入原子势的分子动力学方法模拟研究了不同尺寸Ti纳米粒子在熔化与凝结过程中的原子堆积结构变化.温度变化过程中对Ti纳米粒子中原子平均能量、对分布函数、键对和比热容的计算结果表明,粒子尺寸和温度变化方式对粒子的结构转变具有重要影响.小尺寸Ti粒子更易于形成二十面体构型.随着Ti纳米粒子粒径的增大,室温下粒子趋于保持初始密排六方的堆积结构.升温过程中,大粒径的纳米粒子内出现HCP向BCC的部分结构转变,导致HCP和BCC结构共存现象.大粒径粒子的熔化与体相材料相似,具有一个熔化温度.熔融粒子降温时,纳米粒子内部原子发生熔融态→BCC→HCP堆积结构的转变,且凝结温度较熔化温度滞后.该原子尺度的模拟提供了可用经典理论估算Ti粒子熔化所需能量的临界尺寸.     

过渡元素掺杂对Mo力学性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理方法计算了在Mo中掺杂摩尔百分比分别为2.08%和4.17%的过渡金属元素W,Ti,Cu和Fe后,体系在[111](110)滑移系统上的广义层错能以及解理能,并研究了掺杂元素对Mo的剪切形变以及脆性一韧性的影响,研究发现,掺杂W和Ti原子会使体系剪切形变的发生变得困难,并使Mo材料变脆;而掺杂Cu和Fe原子则会使体系剪切形变的发生变得相对容易,并使Mo材料的韧性增强,此外,随着掺杂浓度的增加,掺杂W会使体系剪切形变的发生变得更为困难,并使Mo材料脆性更强;而掺杂Fe则会使体系剪切形变的发生变得更为容易,并使Mo材料的韧性更强。     

TiAl3 和Ti/TiAl3 非合金化电极n型GaN欧姆接触的实现

在不进行合金化的情况下,首次直接采用TiAl3合金材料作为金属接触电极.在蓝宝石衬底上生长的n型载流子浓度为2×1018 cm-3的GaN上,成功地得到低接触电阻的欧姆接触,并由环形传输线模型方法测得比接触电阻率为3×10-5 Ω*cm2.与通常n型欧姆接触采用的Ti/Al双层结构比较,TiAl3合金结构更容易形成非合金化的n型欧姆接触.在此实验基础上,进一步分析了N空位和界面层处的TiAl3在形成非合金化或低温退火欧姆接触中发挥的作用,由此设计的Ti/TiAl3/Ni/Au接触结构,在TiAl3合金结构基础上明显地降低了接触电阻率.     

Al纳米线不同晶向力学行为和变形机制的模拟

采用分子动力学模拟计算方法,考察具有较高层错能的Al纳米线沿不同晶向的力学行为和变形机制。在相同计算条件下与具有较低层错能的Ni、Cu、Au和Ag等FCC金属纳米线进行比较。结果表明：在力学行为方面,Al纳米线的弹性模量呈现明显的结构各向异性,满足E_[111] > E_[110] > E_[100]的关系,这一关系在FCC金属纳米线中普遍成立;Al纳米线的屈服应力随晶向呈现σ_y[100] > σ_y[111] > σ_y[110]的关系,这一关系在具有较低层错能的FCC金属纳米线中不具有普遍性,这与体系中位错形成机制密切相关。根据拉伸变形过程微观结构的演变规律,阐明Al纳米线不同晶向的变形机制,并与具有较低层错能的Ni、Cu、Au和Ag等FCC金属纳米线的变形机制进行比较。结果表明,对于尺度较小的高层错能Al纳米线,Schmid因子和广义层错能均难以准确预测其变形机制。     

微合金化元素Cu/Ti在L12-Al3Sc/Al界面的偏析行为

L1₂-Al₃Sc纳米析出相的热稳定性对于Al-Sc合金的耐热性意义重大.不同溶质原子在L12-Al3Sc界面的偏析行为可能对Al-Sc合金中L1₂-Al₃Sc析出相的热稳定性造成影响.本文针对过渡族微合金化元素Cu和Ti的L1₂-Al₃Sc/Al界面偏析,开展第一性原理能量学计算研究.结果表明, Cu和Ti均倾向于以替换方式偏析在界面Al侧,但偏析驱动力和偏析占位有明显差异.在给定温度下,基体浓度对界面偏析量也有重要影响.基体浓度越高,偏析驱动力越大,界面平衡偏析量或最大界面覆盖率越大.温度为600 K、基体原子浓度为1%时, Ti对偏析界面的最大覆盖率可达80%(0.8单原子层),而Cu不超过4%(0.04单原子层).     

Al(001)表面上沉积Ti薄膜的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,研究了Ti原子连续沉积于Al(001)表面上的薄膜生长过程,分析了入射能量为0.1、5 eV和衬底温度为300、700 K时的界面结合及微观结构.模拟结果表明,增加入射能量和衬底温度,使Ti薄膜的表面越光滑;通过径向分布函数和键对分析技术对薄膜微观结构进行分析,发现衬底温度时薄膜微观结构影响较大,温度300 K及以下时,Ti薄膜主要是FCC结构,随着温度升高,FCC结构成分减少,无序结构成分增加,而入射能量则对薄膜微观结构没有明显影响.     

Ta和Re对Ni/Ni3Al相界面断裂强度和蠕变强度的影响

采用基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一原理方法,探究Ta元素和Re元素在Ni/Ni3Al相界面中的相互作用及其对界面强度的影响.计算表明:在绝大多数化学计量比范围内, Ta原子优先占据γ相中的顶点Ni位, Re原子优先占据γ’相中的Al位, Re原子和Ta原子共合金化时掺杂位置不发生改变.通过格里菲斯断裂功、不稳定堆垛层错能及空位迁移能的计算,得出Ta和Re合金化都可以增强界面的格里菲斯断裂能,提高界面的结合强度,两种合金化元素均提高了体系的不稳定堆垛层错能,即提高了界面阻碍位错运动的能力和抵抗变形的能力,其中Re的单独合金化效果更好.两种元素的掺杂提高了界面上空位迁移的势垒,阻碍了空位的发射和吸收,进而提高了合金的蠕变能力.     

双模晶体相场研究形变诱导的多级微结构演化

本文采用双模晶体相场模型,计算了双模二维相图;模拟了形变诱导六角相向正方相转变过程的多级微结构演化,详细分析了位相差、形变方向对位错、晶界、晶体结构、新相形貌的影响规律.模拟结果表明:形变方向影响正方相晶核的形核位置和生长方向,拉伸时正方相优先在变形带上形核,垂直于形变方向长大,而压缩时正方相直接在位错和晶界的能量较高处形核,平行于形变方向长大;位相差对形变诱发晶界甄没过程有显著影响,体现在能量峰上为,小位相差晶界位错的攀滑移和甄没形成一个能量峰,大位相差晶界位错攀滑移和甄没因分阶段完成而不出现明显的能量峰;形变诱导相变过程中各种因素相互作用复杂,是相变与动态再结晶的复合转变.     

On the absence of shear cracking and grain boundary cavitation in secondary tensile regions of Ti–6Al–4V–0.1B alloy during hot (α + β)-compression

Deformation instabilities, such as shear cracking and grain boundary cavitation, which are observed in the secondary tensile region of Ti–6Al–4V alloy during compressive deformation in the (α?+?β)-phase field, do not form in Ti–6Al–4V–0.1B alloy when processed under the same conditions. This has been attributed to the microstructural modifications, e.g. the absence of grain boundary α and adjacent grain boundary retained β layers and a lower proportion of 90^o-misoriented α-colonies that occur with boron addition.     

Stability and mechanical properties of various Hf-H phases: A density-functional theory study

We performe first-principles density functional theory calculations to investigate the stability and mechanical properties of various Hf Hx(0 ≤ x ≤ 1) phases. For pure Hf phases, the calculated results show that the HCP and FCC phases are mechanically stable, while the BCC phase is unstable at 0 K. Also, as for various Hf Hx phases, we find that H location and concentration could have a significant effect on their stability and mechanical properties. When 0 ≤ x ≤ 0.25, the HCP phases with H at(tetrahedral) T sites are energetically most stable among various phases. The FCC and BCC phases with H at T sites turn to be relatively more favorable than the HCP phase when H concentration is higher than 0.25. Furthermore, our calculated results indicate that the H solution in Hf can largely affect their mechanical properties such as the bulk moduli(B) and shear moduli(G).     

磁控溅射沉积铝/贫铀与金/贫铀镀层的界面研究

采用磁控溅射技术沉积制铝/贫铀/铝(Al/DU/Al)、金/贫铀/金(Au/DU/Au) "三明治" 薄膜样品. 利用高分辨扫描电镜、 X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、 扫描俄歇微探针对Al/DU/Al, Au/DU/Au样品的Al/DU, Au/DU界面行为进行表征与研究. 结果表明: 沉积态DU层以柱状晶生长; Al/DU界面扩散明显, 物理扩散过程中伴随着Al, DU化学反应形成Al₂U, Al₃U金属化合物; 金属化合物的形成导致界面处Al 2p电子结合能向高能端移动, U 4f电子向低能端移动; 微量O在Al/DU界面处以Al₂O₃及铀氧化物形式存在; DU镀层中以铀氧化形式存在; 沉积态的Au/DU界面扩散为简单的物理扩散, 团簇效应导致Au/DU界面处Al 2p, U 4f电子结合能均向高能端移动; 在Au/DU界面及DU镀层中, 微量O以铀氧化物形式存在; Al/DU界面扩散强于Au/DU; 相同厚度的Al, Au保护镀层, Al镀层保护效果优于Au镀层. 关键词： Al/DU界面 Au/DU界面 磁控溅射 界面扩散     

Investigation of a 4H-SiC metal-insulation-semiconductor structure with an Al2O3/SiO2 stacked dielectric

Atomic layer deposited(ALD) Al2O3 /dry-oxidized ultrathin SiO2 films as a high-k gate dielectric grown on 8°off-axis 4H-SiC(0001) epitaxial wafers are investigated in this paper.The metal-insulation-semiconductor(MIS) capacitors,respectively with different gate dielectric stacks(Al2O3/SiO2,Al2O3,and SiO2) are fabricated and compared with each other.The I-V measurements show that the Al2O3/SiO2 stack has a high breakdown field(≥12 MV/cm) comparable to SiO2,and a relatively low gate leakage current of1×10-7A/cm2 at an electric field of4 MV/cm comparable to Al2O3.The 1-MHz high frequency C-V measurements exhibit that the Al2O3/SiO2 stack has a smaller positive flat-band voltage shift and hysteresis voltage,indicating a less effective charge and slow-trap density near the interface.     

Closed and open-ended stacking fault tetrahedra formation along the interfaces of Cu–Al nanolayered metals

Stacking fault tetrahedra (SFTs) are volume defects that typically form by the clustering of vacancies in face-centred cubic (FCC) metals. Here, we report a dislocation-based mechanism of SFT formation initiated from the semi-coherent interfaces of Cu–Al nanoscale multilayered metals subjected to out-of-plane tension. Our molecular dynamics simulations show that Shockley partials are first emitted into the Cu interlayers from the dissociated misfit dislocations along the Cu–Al interface and interact to form SFTs above the triangular intrinsic stacking faults along the interface. Under further deformation, Shockley partials are also emitted into the Al interlayers and interact to form SFTs above the triangular FCC planes along the interface. The resulting dislocation structure comprises closed SFTs within the Cu interlayers which are tied across the Cu–Al interfaces to open-ended SFTs within the Al interlayers. This unique plastic deformation mechanism results in considerable strain hardening of the Cu–Al nanolayered metal, which achieves its highest tensile strength at a critical interlayer thickness of ~4 nm corresponding to the highest possible density of complete SFTs within the nanolayer structure.     

Al(111)/Al_3Li(111)的界面性质

运用基于第一性原理的平面波贋势法,计算研究了Al (111)/Al_3Li (111)的界面性质.结果表明:Al (111)/Al_3Li (111)的界面具有三种原子配位关系结构,其中界面处仍保持与基体Al一致的三明治堆垛构型的界面稳定性最好.计算表明,该结构界面最薄弱层,位于Al_3Li (111)内,其分离功最小(约1.53 J/m~2),强度最弱,而基体Al和Al_3Li内部的强度随着到界面距离的增大而逐渐增强.     

Computer simulation of the matrix-inclusion interphase in bulk metallic glass based nanocomposites

Atomistic models for matrix-inclusion systems are generated. Analyses of the systems show that interphase layers of finite thickness appear interlinking the surface of the nanocrystalline inclusion and the embedding amorphous matrix. In a first approximation, the interphase is characterized as an amorphous structure with a density slightly reduced compared to that of the matrix. This result holds for both monatomic hard sphere systems and a Cu(47.5)Zr(47.5)Al(5) alloy simulated by molecular dynamics (MD). The elastic shear and bulk modulus of the interphase are calculated by simulated deformation of the MD systems. Both moduli diminish with decreasing density but the shear modulus is more sensitive against density reduction by one order of magnitude. This result explains recent observations of shear band initiation at the amorphous-crystalline interface during plastic deformation.