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.     

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.     

Ti掺杂对高熵合金FeCrVMoTix(x=0-1)结构和力学性能的影响

采用第一性原理方法研究了Ti对高熵合金FeCrVMoTi_x结构、弹性和塑性的影响.分别用混合焓、原子尺寸差、价电子浓度、相对熵效应和结合能评价FeCrVMoTi_x结构的稳定性,研究发现BCC型的FeCrVMoTi_x在x=0.0-0.9范围内都是结构稳定的.另外,弹性和塑性的计算发现,块体模量随Ti的增加而线性减小.剪切模量和杨氏模量首先随x的增加而变大,然后达到最大值,最后随x的进一步增加而快速减小. Ti的掺杂有助于提高FeCrVMoTi_x的屈服强度和抗拉强度,其中FeCrVMoTi_0.57的拉伸性能最好.热力学的计算表明压强能够抑制FeCrVMoTi_0.57的体膨胀系数,并增强其德拜温度.     

压力对六角密堆结构金属锂弹性的影响

 采用密度泛涵理论第一原理赝势方法,利用应力和应变的关系计算了压力下六角密堆结构金属锂的弹性常数。计算结果显示,C₁₂、C₁₃随着压力的增加而线性增加,而压力对C₄₄和C₆₆的影响并不大。在各个压力点C₃₃值都要比C₁₁的值大,表明金属锂在z方向的硬度要比x、y方向的硬度大。还发现在理论预测的结构相变区域,C₁₁和C₃₃有一个跳跃。通过对压缩波各向异性参数Δp和剪切波各向异性参数Δs₁、Δs₂的计算发现,零压下Δp＝1,并且高压下Δp值也接近1,表明压缩时金属锂表现出各向同性。Δs₁、Δs₂值远离1,并且随着压力的增加这种远离趋势不断增强,表现很强的剪切弹性各向异性。还讨论了压力对Cauchy关系和相对弹性常数的影响。     

V-5Cr-5Ti合金弹性和力学性质的第一性原理研究

V-5Cr-5Ti合金作为核聚变堆第一包层的主要候选结构材料之一,但对其力学性质的理论研究相对较少.采用随机固溶体模型,利用第一性原理方法计算出V-5Cr-5Ti合金的弹性常数、体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比和柯西压力等,并与计算出的纯钒的相关数值进行对比,结果表明V-5Cr-5Ti合金具有良好的塑性和强度,但其塑性要略低于纯钒的.并对加入氧原子后的V-5Cr-5Ti合金进行了相关计算,通过对比计算结果发现,由于氧原子的加入,使V-5Cr-5Ti合金的塑性和强度都出现了不同程度的降低.最后对V-5Cr-5Ti合金和纯钒的理论强度进行了计算,并绘制出两者的应力-应变关系图,通过对比再次验证了上面的结论.     

高压下不同结构的Zr3N4合金结构和弹性性质的第一性原理计算

用基于平面波赝势密度泛函理论的第一性原理方法研究了高压下空间群为I4-3D,Pna21和Pnam的三种结构的Zr3N4的弹性性质,获得了这三种物质在高压下的体弹模量B,剪切模量G,杨氏模量E,泊松比,B/G等力学性质。结果表明,在高压下这三种结构的Zr3N4都是保持力学稳定的,且这三种结构的Zr3N4在各个方向的可压缩性是各向异性的。三种结构的Zr3N4对应的体弹模量,剪切模量和杨氏模量都是随着压强的增大而增大。其中空间群为I4-3D的Zr3N4有最好的抵抗体积压缩,变形和线性压缩的能力。泊松比和B/G的数据表明三种结构在此压强范围内均有较好的延展性,高压下空间群为Pna21和Pnam的Zr3N4延展性更好。研究结论对理论研究和实验有一定参考价值。     

高压下固态Kr弹性性质、电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用密度泛函理论中平面波基矢,模守恒赝势结合局域密度近似以及广义梯度近似对固态Kr在高压下的结构以及弹性性质进行了研究, 通过计算发现弹性常数,Debye温度以及声速都随压力的增大而增大,所计算的弹性常数与实验和其他的理论符合的很好. 利用Debye模型得到了固态Kr的热力学性质, 熵随压力的增大而减小,随温度升高而升高;而定容热容C_v,定压热容C_p则随温度升高而升高,而且C_v在达到一定温度时趋于定值,所得的热力学性质和实验值是相符的．最后还预测了固态Kr在高压下的电子结构和光学性质, 计算结果表明随压力的增加固态Kr的前沿能带变窄,光吸收系数增大,吸收峰增宽,电子更容易发生跃迁,固态Kr有可能转化为半导体． 关键词： Kr 第一性原理 弹性常数 光学性质     

超过饱和固溶W-B合金力学性质的第一性原理研究

针对小原子元素在金属合金中可同时提高硬度和韧性的现象,本文采用基于第一性原理方法,研究了W-B合金的超过饱和固溶结构和力学性能.计算结果表明：无论是几何结构的晶格畸变,还是热力学上的结合能,B原子以置换形式固溶于W晶体中均优于其他固溶形式,这主要是由于置换B原子与周围W原子形成以共价型为主兼有离子型的键合作用.在合金中添加B元素虽然降低了合金材料的弹性模量,杨氏模量由414.34 GPa降低至338.36 GPa,但却显著增加了材料的韧性,B/G值由1.97提高到2.30(纯W晶体相较于B含量6.25 at.%时).并且合金的各向异性显著地减弱.另外,合金中B元素的添加,还使得材料理想剪切强度和最大应变值也得到了增加,分别由原来的19.981 GPa和0.187增加至21.814 GPa和0.209.这说明B元素在W合金中的超过饱和固溶不仅增加了合金的强度,还提高了合金的韧性.     

第一性原理研究Mg2 Si同质异相体的结构、电子结构和弹性性质

在第一性原理框架下,采用赝势平面波方法研究了三种Mg₂Si同质异相体的晶胞结构、电子结构和弹性性质随压强的变化关系.研究发现,反萤石结构Mg₂Si、反氯铅矿结构Mg₂Si和Ni₂In型Mg₂Si分别在压强为0-7 GPa,7.5-20.2 GPa和21.9-40 GPa范围内能够保持结构稳定.计算获得了不同压强下Mg₂Si的弹性常数、体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比和各向异 关键词： 态密度 电子结构 弹性常数 第一性原理     

Theoretical prediction of the elastic properties of body-centered cubic Fe-Ni-Mg alloys under extreme conditions

Using density functional theory formulated within the framework of the exact muffin-tin orbital method, we investigate the elastic properties of the body-centered cubic Fe_0.85Ni_0.1Mg_0.05 alloy in the conditions at the Earth's inner core. We demonstrate that in this system, the chemical stabilization effect of Mg is significantly larger than that of Ni. We show that the elastic properties of Fe_0.85Ni_0.1Mg_0.05 are in good agreement with those of the Earth's inner core, as given by seismic observations. We find that the excellent mechanical properties of Fe_0.85Ni_0.1Mg_0.05 are primarily due to Mg.     

An ab initio study of the structural,elastic, electronic and optical properties of the newly synthesized nitridoaluminate LiCaAlN2

The structural parameters, elastic constants, electronic structure and optical properties of the recently reported monoclinic quaternary nitridoaluminate LiCaAlN₂ are investigated in detail using the ab initio plane-wave pseudopotential method within the generalized gradient approximation. The calculated equilibrium structural parameters are in excellent agreement with the experimental data, which validate the reliability of the applied theoretical method. The chemical and structural stabilities of LiCaAlN₂ are confirmed by calculating the cohesion energy and enthalpy of formation. Chemical band stiffness is calculated to explain the pressure dependence of the lattice parameters. Through the band structure calculation, LiCaAlN₂ is predicted to be an indirect band gap of 2.725 eV. The charge-carrier effective masses are estimated from the band structure dispersions. The frequency-dependent dielectric function, absorption coefficient, refractive index, extinction coefficient, reflectivity coefficient and electron energy loss function spectra are calculated for polarized incident light in a wide energy range. Optical spectra exhibit a noticeable anisotropy. Single-crystal and polycrystalline elastic constants and related properties, including isotropic sound velocities and Debye temperatures, are numerically estimated. The calculated elastic constants and elastic compliances are used to analyse and visualize the elastic anisotropy of LiCaAlN₂. The calculated elastic constants demonstrate the mechanical stability and brittle behaviour of the considered material.     

Ab initio study of structural,elastic, and high-pressure properties of rubidium halides RbX (X = F,Cl, Br and I)

We present first-principle calculations on the structural, elastic, and high-pressure properties of rubidium halides compounds, using the pseudo-potential plane-waves approach based on density functional theory, within the generalized gradient approximation. Results are given for lattice constant, bulk modulus and its pressure derivative. The pressure transition at which these compounds undergo structural phase transition from NaCl-type to CsCl-type structure are calculated and compared with previous calculations and available experimental data. The elastic constants and their pressure dependence are calculated using the static finite strain technique. We derived the bulk and shear moduli, Young's modulus and Poisson's ratio for ideal polycrystalline RbF, RbCl, RbBr, and RbI aggregates. We estimated the Debye temperature of these compounds from the average sound velocity.     

Amorphous phase formation rules in high-entropy alloys

There have been many interesting studies on high-entropy alloys(HEAs), also known as multi-component(MC) alloys(MCAs), in recent years. MC metallic-glasses(MGs) have shown the potential to express the advantages of MCAs and MGs in tandem. Amorphous phase formation rules are a crucial issue in the HEA and MCA field. For equal or near-equal atomic ratio alloys, mixed-entropy among the elements has a significant effect on the phase formation. This paper focuses on HEA amorphous phase formation rules. In the first two sections, the recent progress in amorphous phase formation in HEAs and MCAs is reviewed, including the effective factors and correlative parameters related to amorphous phase formation. In the third section, novel MCMGs including high-entropy(HE) bulk-metallic-glass(HE-BMG) and MCMG films developed in recent decades are summarized, and the giant-magnetic-impedance(GMI) effect of MC amorphous fibers is discussed.     

MgO和Cu的弹性常数随温度及压强变化关系的研究

从Anderson-Grüneisen参数定义式和热膨胀系数定义式出发,根据Tallon的普遍化理论,推导出了一个用于计算弹性常数的理论模型,用所得到的理论模型分别计算了MgO和Cu两种固体材料的弹性常数C_(11)、C_(12)和C_(44)随压强以及温度变化的理论数值,并将理论计算结果与Kumar模型计算结果以及相关实验数据进行了比较,对所得到的理论模型计算结果与Kumar模型计算结果之间的差异性进行了分析和探讨.研究结果表明:所推导的理论模型计算结果与实验数据更加符合,并且由于所用的推导方法不依赖于晶体的结构,因此该模型具有更好的合理性和普适性.     

MgO和Cu的弹性常数随温度及压强变化关系的研究

从Anderson-Grüneisen参数定义式和热膨胀系数定义式出发,根据Tallon的普遍化理论,推导出了一个用于计算弹性常数的理论模型,用所得到的理论模型分别计算了MgO和Cu两种固体材料的弹性常数 、 和 随压强以及温度变化的理论数值,并将理论计算结果与Kumar模型计算结果以及相关实验数据进行了比较,对所得到的理论模型计算结果与Kumar模型计算结果之间的差异性进行了分析和探讨。研究结果表明：所推导的理论模型计算结果与实验数据更加符合,并且由于所用的推导方法不依赖于晶体的结构,因此该模型具有更好的合理性和普适性。     

MgO和Cu的弹性常数随温度及压强变化关系的研究

从Anderson-Grüneisen参数定义式和热膨胀系数定义式出发,根据Tallon的普遍化理论,推导出了一个用于计算弹性常数的理论模型,用所得到的理论模型分别计算了MgO和Cu两种固体材料的弹性常数 、 和 随压强以及温度变化的理论数值,并将理论计算结果与Kumar模型计算结果以及相关实验数据进行了比较,对所得到的理论模型计算结果与Kumar模型计算结果之间的差异性进行了分析和探讨。研究结果表明：所推导的理论模型计算结果与实验数据更加符合,并且由于所用的推导方法不依赖于晶体的结构,因此该模型具有更好的合理性和普适性。     

具有六方晶系结构的多晶体材料弹性常数——Y弹性常数

利用最近提出的新的物理参量——Ｙ弹性常数,将其应用于具有六方晶系结构的多晶体材料.推导了六方晶系结构的多晶体材料之Ｙ弹性常数,通过算例与具有六方晶系结构的多晶体材料之X射线弹性常数进行了比较.运用这个Ｙ弹性常数进一步推导出的多晶体材料整体之机械弹性常数的表达式与Kneer的研究结果中的表达式虽然形式不同,但针对具体材料所计算的结果却完全符合. 关键词： Y弹性常数 六方晶系 多晶体材料     

Processing pathway effects in CoCrCuNi+X (Fe,Mn) high-entropy alloys

A parallel study of mechanical alloying and solidification was carried out on FCC high-entropy alloys (HEAs) CoCrCuNi, CoCrCuFeNi and CoCrCuMnNi to investigate the effects of each processing methods on the resulting microstructure, crystal structure and microhardness. Elemental powders were mechanically alloyed followed by spark plasma sintering (SPS) at 800°C and 900°C to achieve densified discs, while arc melting was carried out from bulk pieces of the elemental metals followed by furnace annealing at 800°C and 900°C for 5?h. Both processing routes resulted in a primary FCC phase with secondary Cu-rich FCC segregation as interdendrites for the solidified alloys and particle boundaries for the SPS alloys, with the exception of a small amount of σ phase present in the SPS processed alloys. The solidification of the CoCrCuNi, CoCrCuFeNi and CoCrCuMnNi HEAs resulted in typical dendritic microstructure, followed by the precipitation of a small Cr-rich phase in the CoCrCuMnNi alloy after annealing. The grain size of the mechanically alloyed powder was approximately 20?nm from the Scherrers equation and the SPS processed HEAs consisted of a Cu-rich phase in the particle boundaries, forming cobblestone-like microstructure. The microhardness was examined in the as-cast, annealed and SPS states. It was found that the SPS processed samples had an increased microhardness by a factor of 2.5.