理论研究VTiTaNbAlx高熵合金的结构与弹性力学性质

实验已证明VTiTaNbAlx高熵合金(HEAs)为单相固溶体,它采用了体心立方结构. 在这篇文章中,我们使用基于密度泛函理论的饼模轨道(EMTO)结合相干势近似(CPA)方法,计算并分析了此高熵合金体系的平衡体性质,弹性常数及多晶弹性模量. 结果表明：此系列高熵合金符合单相高熵合金的理论判据,具有较好的内在塑性,等摩尔比的VTiTaNb高熵合金趋于弹性各向同性. 随着Al含量的增加,此系列高熵合金的弹性各向异性趋于增大,但对多晶弹性模量几乎没有影响;同时讨论了基于弹性常数计算的德拜温度.     

理论研究VTiTaNbAl_x高熵合金的结构与弹性力学性质

实验已证明VTiTaNbAl_x高熵合金(HEAs)为单相固溶体,它采用了体心立方结构.在本文中,我们使用基于密度泛函理论的饼模轨道(EMTO)结合相干势近似(CPA)方法,计算并分析了此高熵合金体系的平衡体性质,弹性常数及多晶弹性模量.结果表明:此系列高熵合金符合单相高熵合金的理论判据,具有较好的内在塑性,等摩尔比的VTiTaNb高熵合金趋于弹性各向同性.随着Al含量的增加,此系列高熵合金的弹性各向异性趋于增大,但对多晶弹性模量几乎没有影响;同时讨论了基于弹性常数计算的德拜温度.     

Al元素含量对高熵合金Al_xFeTiCrZnCu力学性能的影响

采用第一性原理密度泛函理论,结合平面波赝势和广义梯度近似(GGA),用虚拟晶体近似(VCA)的方法建立高熵合金的固溶结构模型,计算了高熵合金Al_xFeTiCrZnCu的结构性能、弹性性能和生成热.计算结果表明,Al_xFeTiCrZnCu高熵合金的密度随着Al元素含量的增加而减小,晶格常数在Al元素摩尔含量为1时最小. Al元素含量的增加能提高高熵合金Al_xFeTiCrZnCu的力学稳定性.基态总能量和生成热都随着Al元素含量的增加而增加,但是合金系的稳定性和热力学稳定性有所下降.     

体心立方固溶体合金中的"团簇+连接原子"结构模型

为体现固溶体合金中的溶质原子产生的化学短程序,文章提出了配位数为14的团簇在体心立方(bcc)点阵中的堆垛模式,并建立了基于bcc结构的"团簇+连接原子"结构模型,用团簇成分式[团簇](连接原子)_x表述. 此模型中,与基体组元具有相对大的负混合焓的溶质原子占据团簇心部,其他原子作为连接或者替代团簇壳层基体原子. 1 ∶1结构模型[团簇](连接原子)₁由于最大程度地保证了团簇与连接原子的近邻,构成了连接原子最有效的合金化方式. 在两个实用bcc固溶体合金体系中, 1 ∶1模型指导设计了低V含量的储氢合金 V₁和低弹性模量高强度的 Nb₁合金. 关键词： 体心立方固溶体成分设计 "团簇+连接原子"结构模型 Ti-Cr-V合金 Ti-Zr-Mo-Nb合金     

Al元素含量对高熵合金Al_xFeTiCrZnCu力学性能的影响

采用第一性原理密度泛函理论，结合平面波赝势和广义梯度近似(GGA)，用虚拟晶体近似(VCA)的方法建立高熵合金的固溶结构模型，计算了高熵合金Al_xFeTiCrZnCu的结构性能、弹性性能和生成热.计算结果表明，Al_xFeTiCrZnCu高熵合金的密度随着Al元素含量的增加而减小，晶格常数在Al元素摩尔含量为1时最小.Al元素含量的增加能提高高熵合金Al_xFeTiCrZnCu的力学稳定性.基态总能量和生成热都随着Al元素含量的增加而增加，但是合金系的稳定性和热力学稳定性有所下降.     

第一性原理计算Al元素含量对高熵合金AlxCoCrCuFeNi的影响

采用第一性原理密度泛函理论,结合平面波赝贽和广义梯度近似(GGA),用虚拟晶体近似(VCA)方法建模,计算了高熵合金Alx CoCrCuFeNi的结构性能、弹性性能及生成热.计算结果表明,高熵合金Alx CoCrCuFeNi的密度随Al元素摩尔含量的增大而减小,晶格常数在Al元素摩尔含量为1时最小.Al元素摩尔含量为2时,高熵合金Alx CoCrCuFeNi符合力学稳定性判据.生成热随Al元素摩尔含量增大而增大,皆为负值的生成热表明高熵合金在热力学条件下稳定.     

相场法研究AlxCuMnNiFe高熵合金富Cu相析出机理

BCC(体心立方)和FCC(面心立方)结构共存的高熵合金通常具有优异的综合力学性能, Al元素可以促进含Cu高熵合金由FCC向BCC结构转变.本文基于Chan-Hilliard方程和Allen-Cahn方程,建立Al_xCuMnNiFe高熵合金三维相场模型,模拟了Al_xCuMnNiFe高熵合金(x=0.4, 0.5, 0.6, 0.7)在823 K等温时效时纳米富Cu相的微观演化过程.结果表明, Al_xCuMnNiFe高熵合金时效时会产生两种复杂核壳结构:富Cu核/B2_s壳以及B2_c核/FeMn壳,通过讨论分析发现形成的B2_c对纳米富Cu相的形成起到抑制作用,这种抑制作用随着Al元素的增加而变大;结合经验公式做出Al_xCuMnNiFe高熵合金富Cu相的屈服强度随时效时间的变化曲线,得到峰值屈服强度的时效时间和合金体系,可以为时效工艺提供参考.     

Cu-Zr-Ti三元非晶合金形成范围的热力学预测

用基于热力学观点的定量预测三元合金形成非晶成分范围的方法,对Cu-Zr-Ti三元合金系形成非晶的成分范围进行了计算。该方法通过比较晶态固溶体的自由能和相应的非晶态的自由能来确定非晶形成的成份范围,在自由能的计算中,三元系的热力学数据用相应的3个二元系的热力学数据由Toop模型外推得到,二元合金系的形成焓则通过Miedema理论的计算得出。结果表明,理论预测的形成非晶的成分范围与已有的实验结果符合得比较好。     

AlxCoCrFeNi高熵合金力学性能的分子动力学模拟

通过分子动力学方法模拟了原子尺度下高熵合金的制备过程,对AlCoCrFeNi进行了微观组织分析,研究了温度和Al含量变化时AlCoCrFeNi高熵合金在轴向载荷作用下的力学性能。模拟结果显示:Al_x CoCrFeNi高熵合金在拉伸过程中依次经历弹性—屈服—塑性阶段。屈服后,材料开始出现位错,随之出现层错和孪晶;随着位错的不断产生和湮灭,材料产生了不均匀塑性变形。分析显示:Al与其他元素的原子半径差产生的晶格畸变效应以及Al与其他原子的结合力影响了高熵合金的杨氏模量和屈服应力;温度升高导致金属原子间的热振动加剧,原子动能增加,原子间的距离增大,原子间的结合力下降,致使合金的弹性模量和屈服应力下降,温度的净效应类似于晶格畸变。     

相场法研究Fe-Cu-Mn-Al合金富Cu相析出机制

基于Ginzburg-Landau理论采用连续相场法模拟了Fe-15%Cu-3%Mn-x Al(质量分数x=1%, 3%, 5%)合金在873 K等温时效时纳米富Cu析出相沉淀机制及Al含量对富Cu相析出的阻碍效应.通过计算成分场变量和结构序参数,研究了富Cu析出相的形貌、颗粒密度、平均颗粒半径、生长和粗化动力学.研究结果表明:在时效早期阶段,纳米富Cu相通过失稳分解机制析出,由于原子扩散速率存在差异,从而形成以富Cu相为核心的核壳结构.随着时效时间延长,富Cu相析出物结构由体心立方转变为面心立方.其中Al和Mn原子在富Cu核外偏析形成Al/Mn簇,可以将其视为阻碍富Cu析出相形成的缓冲层;在沉淀过程中,随着Al含量的增大, Al/Mn金属间相促进了缓冲层的生长,阻碍富Cu析出相的生长和粗化.     

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：     

B改善单晶和多晶Ni3Al合金力学性能的微观机制

通过测量Ｂ含量从０．００至２．２２ａｔ％的单晶和多晶Ｎｉ₃Ａｌ合金的正电子寿命谱，研究了单晶和多晶Ｎｉ₃Ａｌ合金中的微观缺陷和电子结构。结果表明，多晶Ｎｉ₃Ａｌ合金晶界中存在着开空间大于空位的缺陷。晶界缺陷处参与形成Ｎｉ－Ｎｉ和Ｎｉ－Ａｌ键的价电子浓度比基体或位错处的低，晶界是结合力弱化区域。偏聚到Ｎｉ₃Ａｌ合金缺陷上的Ｂ与缺陷处的Ｎｉ或Ａｌ原子形成强的共价键而增强了这些地方的结合力。以间隙方式固溶到Ｎｉ_{3< 关键词：}     

X-ray spectroscopic studies of electronic structure of the A15 compounds in the system Nb3(Sn-Al)

The present paper is concerned with the X-ray spectrum study of binary niobium A15 compounds and of solid solution based on these compounds. In the case of Nb₃Al the additional maximum of intensity in the long-wave length part of spectrum was observed. The results of the Al Kα-line shift and NbLβ₂-lines study lead to the conclusion that the valence electron Al to Nb₃Al, the decrease being still greater in the Nb₃(Al-Sn) alloys. The valence electrons of tin are largely localized on the “parent” atom.     

Al组分对MOCVD制备的AlxGa1-xN/AlN/GaN HEMT电学和结构性质的影响

采用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）方法制备了不同Al组分（x=0.19,0.22,0.25,0.32）的Al_xGa_1-xN/AlN/GaN 结构的高电子迁移率晶体管（HEMT）材料。研究了Al_xGa_1-xN势垒层中Al组分对HEMT材料电学性质和结构性质的影响。研究结果表明,在一定的Al组分范围内,二维电子气（2DEG）浓度和迁移率随着Al组分的升高而增大。然而,过高的Al组分导致HEMT材料表面粗糙度增大,2DEG迁移率降低,该实验现象在另一方面得到了原子力显微镜测试结果的验证。在最佳Al组分（25%）范围内,获得的 HEMT材料的2DEG浓度和室温迁移率分别达到1.2×10¹³ cm^-2和1 680 cm²/（V·s）,方块电阻低至310 Ω/□。     

Mg-Al系工业合金牌号的成分式解析

Mg-Al系牌号是应用最广的镁基工业合金,但其牌号背后的成分根源一直未知,构成研发新合金的主要障碍.本文应用描述固溶体短程序结构特征的团簇共振模型,得到了Mg-Al二元固溶体的最理想化学结构单元[Al-Mg_(12)]Mg_1,然后对《the American Society for Testing Materials》手册中所有Mg-Al系工业合金牌号进行成分解析,得到相应团簇成分式,如AZ63A合金解析后的团簇成分式为[Al_(0.78)Zn_(0.16)-Mg_(12)]Mg_(1.04)Mn_(0.02),AZ81A合金解析后的团簇成分式为[Al_(0.97)Zn_(0.03)-Mg_(12)]Mg_(0.98)Mn_(0.02).再根据成分式与化学结构单元之间的误差,对比该牌号合金的力学性能,验证了该化学结构单元在Mg-Al体系中的准确性,揭示出看似复杂的工业合金牌号后面隐藏的简单成分规律,为发展Mg-Al体系合金指出了一个全新的途径.     

Al掺杂对合金Mg1-xTix及其氢化物稳定性的影响

用密度泛函理论,研究了Al对合金Mg_1-xTi_x及其氢化物稳定性和电子结构的影响. 通过计算不同掺杂浓度的Mg-Ti-Al合金的形成焓,发现当Al和Ti的浓度之比为1:1时, 合金结构最稳定,有利于氢的可逆吸收;而掺杂体系的氢化物稳定性降低, 可提高放氢性能.通过对态密度,电子密度和键长的分析, 表明Al改善Mg-Ti系统的放氢性能的原因是掺杂后减少了低能级区成键态的电子以及减弱了Mg-H, Ti-H原子间的相互作用. 关键词： 1-xTi_xH₂储氢材料')" href="#">Mg_1-xTi_xH₂储氢材料 赝势平面波 电子结构 稳定性     

不同构型(In,Al)GaN合金发光机理的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论,研究了纤锌矿（In,Al）GaN合金的4种构型（均匀、短链、小团簇、团簇-链共存模型）的电子结构和发光微观机理。结果表明,在InGaN合金中,短In-N-链和小In-N团簇都局域电子在价带顶（VBM）态。当小团簇与短链共存时,前者局域电子的能力明显强于后者,是辐射复合发光中心。然而,在AlGaN合金中,电子在VBM态的局域受短Al-N链和小Al-N团簇的影响并不显著。合金微观结构的不同会引起电子局域的改变,从而影响材料的发光性能,并对带隙和弯曲系数有重要影响。     

A new study on the catalytic mechanism of Fe-based alloys in diamond formation by Mössbauer spectroscopy

M?ssbauer spectroscopy has been used to systemically study the catalytic mechanism of Fe-based alloys in diamond formation at high temperature–high pressure (HTHP) for the first time. M?ssbauer spectra reveal the magnetic state of the 3d electrons of a Fe atom in the Fe-based alloy catalyst during diamond formation at HTHP. During carburization at lower temperatures than that required for diamond formation and diamond formation in the diamond-stability region using Fe-based alloys as a catalyst, both the quadrupole splitting QS and the isomer shift IS change from negative to positive, especially reaching a state in which they are zero. It was indicated that the state of the 3d-shell electrons of the iron atom changes greatly during carburization and diamond formation and that the incomplete 3d sub-bands of Fe atoms in the catalyst alloys could be filled up in proper order by electrons of interstitial carbon atoms. During diamond formation, the unpaired 3d-shell electrons of an iron atom in the Fe-based alloy absorb and interact with 2P_z electrons of the carbon atoms. There exist a Fe–C bonding and an electron charge transfer stage. The 2P_z electrons of the carbon atoms could be dragged into the metal atoms in the catalyst alloy and would make a transition of triangular (sp²π) hybridization of valence electrons to tetrahedral (sp³) hybridization of valence electrons (a transition of sp²π bonds of graphite to sp³ bonds of diamond), resulting in a transition of graphite structure to diamond. Although the conclusion of this study is strictly applicable only to Fe-based alloy catalysts, it could be considered more general because of the chemical similarities between the transition elements used as solvent catalysts for diamond synthesis. Received: 2 March 2001 / Accepted: 20 August 2001 / Published online: 2 October 2001