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.     

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.     

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.     

Al_xCrFeNiTi系高熵合金成分和弹性性质关系

为了探索Al_xCrFeNiTi系高熵合金组成成分和弹性性质的关系,结合固溶体特征参数和第一性原理计算,研究Al元素含量对Al_xCrFeNiTi (x=0, 0.5, 1, 2, 3, 4)合金结构和弹性性质的影响,并分析合金固溶体特征参数与弹性性质之间的关系.结果表明:Al_xCrFeNiTi系合金的价电子浓度随着Al含量的增加逐渐减小,合金在体心立方结构下的形成焓均低于面心立方结构,说明研究的Al_xCrFeNiTi系合金会形成单一的体心立方结构固溶体;合金的晶格常数和形成能力强弱随着Al含量的增加而增大,但合金的结构稳定性略有下降;当合金元素按照等原子比进行成分配比时,合金的原子尺寸差异最大; Al_xCrFeNiTi系合金中不同原子之间除了金属键结合外,还表现出一定的共价和离子键结合特征;对于Al_xCrFeNiTi系合金而言,随着热力学熵焓比的增大,合金体弹模量和韧性随之增大;随着合金混合焓的增加,合金在压缩方向的各向异性程度明显降低.热力学熵焓比和混合焓可作为Al_xCrFeNiTi系高熵合金成分设计的重要参数.     

掺杂元素对Mg2NiH4稳定性影响的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一原理赝势平面波(PW-PP)方法,计算了低温相Mg2NiH4和(Mg2Ni,X)H4(X=Ag, Al, Ti或Zr)的生成热及电子结构,分析了掺杂元素对Mg2Ni氢化物稳定性的影响. 结果表明,掺杂导致了合金氢化物生成热的绝对值降低,合金氢化物的稳定性下降,且发现掺杂元素电负性越大,氢化物越不稳定. 从电子态密度图和Mulliken布居数分析知道,掺杂后合金氢化物释氢能力增强的主要原因在于Ni-H之间的成键减弱,以及掺杂元素诱导费米能级EF处电子数浓度N(EF)的增加.     

掺杂元素对Mg2NiH4稳定性影响的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一原理赝势平面波(PW-PP)方法,计算了低温相Mg2NiH4和(Mg2Ni,X)H4(X=Ag, Al, Ti或Zr)的生成热及电子结构,分析了掺杂元素对Mg2Ni氢化物稳定性的影响. 结果表明,掺杂导致了合金氢化物生成热的绝对值降低,合金氢化物的稳定性下降,且发现掺杂元素电负性越大,氢化物越不稳定. 从电子态密度图和Mulliken布居数分析知道,掺杂后合金氢化物释氢能力增强的主要原因在于Ni-H之间的成键减弱,以及掺杂元素诱导费米能级EF处电子数浓度N(EF)的增加.     

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.     

AlCrFeCuNi高熵合金力学性能的分子动力学模拟

高熵合金具有传统合金无法比拟的高强度、高硬度和高耐磨耐腐蚀性,具有广阔的应用前景。为研究AlCrFeCuNi高熵合金(High entropy alloy,HEA)在轴向载荷作用下的力学性能,采用分子动力学方法,模拟高熵合金的实验制备过程并建立原子模型,研究温度和Al的含量对AlCrFeCuNi高熵合金力学性能的影响,从材料学角度分析了变形过程及其具有高塑性的原因。模拟结果表明,AlCrFeCuNi高熵合金在拉伸载荷作用下依次经历弹性、屈服、塑性3个变形阶段。在屈服阶段,开始出现孪晶和层错,孪晶和层错的产生和生长是合金产生不均匀塑性变形的主要原因之一。高熵合金的杨氏模量和屈服应力随着Al含量的增加近似线性降低,同时具有很强的温度效应,温度越低,Al含量越小,其杨氏模量和屈服应力的下降幅度越大。     

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.     

掺杂Fe对VH2解氢性能影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理的平面波超软赝势方法,研究了Fe掺杂对VH₂的电子结构和解氢性能的影响.通过计算Fe掺杂VH₂前后体系的合金形成热、V-H之间的重叠布居数、电子态密度、电子密度,发现Fe掺杂VH₂后,随着Fe含量增加,合金体系的晶胞参数和晶胞体积逐渐减少;体系的负合金形成热逐渐减少,且掺杂后体系的负合金形成热都比VH₂的负合金形成热小,体系的稳定性降低;电子态密度计算也显示Fe掺杂后费米能级处的电子浓度增加,体系稳定性降低;重叠布居数和电子密度计算表明掺杂后V-H之间的重叠布居数由0.1减小为0.08或0.09,V-H之间的电子密度减少,说明V和H原子之间的相互作用减弱,提高了VH₂的解氢性能.计算结果解释了实验现象. 关键词： Fe掺杂 电子结构 解氢性能 第一性原理计算     

AuBe_5型新相NdMgNi_(4-x)Co_x的第一性原理研究

利用密度泛函理论系统研究了AuBe_5型新相NdMgNi_(4-x)Co_x(x=0,1,2,3)的晶体学结构、弹性力学性能、热力学性质和电子结构特性.与试验数据相比,晶格常数的相对误差在0.34%之内,而晶体学参数的相对误差在0.24%之内.通过广义胡可定律、Voigt-Reuss-Hill方法和平均声速计算了弹性常数、弹性模量和德拜温度,利用Gibbs2代码计算了0～1000 K范围内的吉布斯自由能、熵和等体热容.计算的结果与其他文献计算结果符合的很好.结果表明:合金相的热稳定性随着Co含量的增加而增强.NdMgNi_(4-x)Co_x(x=0,1,2,3)合金均为韧性材料且按以下顺序增强:NdMgNi_4NdMgNi_2Co_2NdMgNi_3Co NdMgNiCo_3.随着温度升高,合金相的熵S增大而Cv值均趋近于杜隆-珀蒂极限值.对电子态密度的计算表明,NdMgNi_(4-x)Co_x(x=1,2,3)合金为磁性材料,且磁性随着Co含量的增大而增强.     

高熵合金短程有序现象的预测及其对结构的电子、磁性、力学性质的影响

如何有效预测高熵合金的稳态结构,是开展研究其物理及化学等性能的基础.以FeCuCrMnMo合金为例,在有限晶胞尺寸内,采用蒙特卡洛结合密度泛函理论杂化计算方法(Monte Carlo/density functional theory,MC/DFT)预测高熵合金的平衡态结构.与准随机近似方法(special quasirandom structures,SQS)不同,该方法不再追求高熵合金结构的理想随机状态,而是充分考虑合金中原子尺寸、混合焓、原子间相互作用等物理因素.通过第一性原理计算体系能量来实现,使得蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)方法保证结构在原子交换过程中体系能量逐渐收敛于平衡态.最终预测得到的平衡态结构出现Cu原子的短程有序现象(short range order,SRO)与实验上合金中的Cu偏析现象相一致.相较于由SQS方法获得的随机状态,该SRO结构在能量上更加稳定.同时本文对稳态结构通过序参数及径向分布函数进行表征,并对SRO现象的出现进行物理解释,进一步揭示了SRO的出现对高熵合金结构性质的影响.     

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。     

Cr含量对Ti-Nb-Cr合金抗腐蚀性影响的电子结构计算

许多实验报道中表明合金化元素Cr能够提高Ti基合金的抗腐蚀性.为了解Cr元素含量对Ti-Cr-Nb合金的影响,本文计算了不同Cr含量的Ti-Cr-Nb合金的内聚能、形成能、费米能级和态密度等参数.分析了Cr含量对合金的电子结构稳定性以及腐蚀性能的影响.结果表明:随着Cr含量的增加,体系内聚能升高,形成能增加,体系稳定性略有下降,且材料形成条件变得苛刻;费米能级明显降低,体系不易失去电子,抗腐蚀性能增强;体系金属键增强,失电子能力降低,抗腐蚀性能提高;态密度与差分电荷密度研究表明, Cr含量的增加使得体系金属键增强,表明体系抗腐蚀性的提高.从费米能级和态密度图中发现,当Cr含量约为18.75 at.%时,合金的耐腐蚀性最优.     

Cr,Mo,Ni在γ-Fe(C)中的键合性质及对相结构稳定性的影响

基于密度泛函理论第一性原理方法,采用广义梯度近似下的PW91泛函形式,计算了合金元素Cr,Mo,Ni固溶于γ-Fe(C)的电子结构,从重叠聚居数、电荷布居数、态密度、差分电荷密度及结合能等计算结果分析探讨了合金元素在γ-Fe(C)中的键合性质及对奥氏体相稳定性的影响.结果表明:Cr,Mo在奥氏体晶胞中都存在金属键、共价键和微弱的离子键的共同作用,而Ni仅有金属键和共价键作用,几乎不受离子键作用,成键轨道主要是Cr,Mo,Ni的d轨道与Fe 3d,C 2p轨道的交互作用形成的.依据合金元素对γ-Fe(C)电子结构的影响,探讨了Cr,Mo,Ni固溶后对奥氏体相稳定性的影响.     

元素替代对Mg2NiH4释氢性能影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波赝势(PWP)方法,研究了元素替代对Mg2NiH4释氢性能的影响.计算给出了晶胞参数、电子态密度、原子间的键序和生成焓,分析了氢化物的结构稳定性和原子间成键作用之间的关系.计算结果表明,生成焓的计算值随替代元素M(Ti,V,Cr)的变化趋势和实验测定的结果一致,且Ti的替代较好地降低了Mg2NiH4的结构稳定性,提高了Mg2NiH4的释氢性能.分析电子结构可得,Ni(h)-H和M-H间的相互作用是影响Mg2NiH4结构稳定性的主要因素,替代元素正是通过改变M-H的相互作用来提高Mg2NiH4的释氢性能.     

NaZn13型结构LaFe13-xAlxCy化合物的磁熵变与磁相变的研究

研究了NaZn13型结构LaFe13-xAlxC0.1(x=1.6,1.8)间隙化合物的磁制冷能力和磁相变.利用麦克斯韦关系式计算得到,高Al含量LaFe13-xAlx碳化物的最大磁熵变值|ΔS|m低于低Al含量碳化物的最大磁熵变值.随Al含量的增加,化合物的磁熵变峰展宽,但由于磁熵变大幅降低,衡量磁制冷能力的q值随之降低.基于朗道相变原理,考虑到自旋涨落的影响,磁自由能可以展开到磁化强度的6次方项,材料的相变类型由磁化强度的4次方项系数a3(T)的符号来进行判断.随着Al含量的增加,研究的碳化物相变由弱的一级相变转为二级相变.     

Mg-Al-Ca合金中三元Laves相的稳定性和电子结构

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,应用VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package) 计算软件,研究了Mg-Al-Ca合金中三元Laves相,即Ca(Mg1-x,Alx)2和Al2(Ca1-x,Mgx) (x=0, 0.25, 0.50, 0.75, 1)在不同形态结构(C14, C15和C36)下的相稳定性及电子结构。计算所得的晶格常数和实验值吻合很好,形成能和相关能的计算用来研究三元Laves相的合金化能力和稳定性,结果表明：C14-Ca(Mg0.25,Al0.75)2具有很好的合金化能力,而C15- CaAl2具有很好的结构稳定性。态密度和电荷密度的计算用来研究Mg-Al-Ca合金中三元Laves相稳定性的内在微观机制。     

合金元素对Ag/Al界面性质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方法,计算和分析Ag(111)/Al(111)界面体系的能量与电子结构,讨论Ag中加入的Be、Mg、Al、Ca、Ni、Sn合金化元素对Ag/Al界面性质的影响.结果表明:Ni原子倾向于界面处的取代位置,而Be、Mg原子倾向于靠近界面处的取代位置,Al、Ca、Sn原子倾向于远离界面处的取代位置;合金元素Be、Mg、Al、Ca、Ni、Sn的加入均会使Ag/Al界面的稳定性降低,其中Ca元素的影响程度最大,分离功降低到0.923 J/m~2,界面能增至0.703 J/m~2;通过电子结构计算结果分析认为,导致界面稳定性下降的主要原因应是合金化元素的加入使界面间形成的Ag-Al共价键强度降低引起.