合金元素对钢中NbC异质形核影响的第一性原理研究

为了探索不同合金元素对Nb C异质形核的影响,本文利用第一性原理研究了合金元素X(X=Cr,Mn,Mo,W,Zr,V,Ti,Cu和Ni)对ferrite(100)/Nb C(100)界面性质的影响,并且分析了上述合金元素掺杂前后界面的黏附功、界面能和电子结构.研究结果表明,Cr,V和Ti掺杂的界面具有负的偏聚能,说明它们容易偏聚到ferrite/Nb C界面,但Mn,W,Mo,Zr,Cu和Ni却难以偏聚到此界面.当Mn,Zr,Cu和Ni取代界面处的Fe原子后,界面的黏附强度降低,即这些合金减弱铁素体在Nb C上的形核能力.然而Cr,W,Mo,V和Ti引入界面后,其黏附功比掺杂前的界面要大,且界面能均降低,即提高了界面的稳定性.因此,W,Mo,V和Ti,尤其是Cr,能够有效地促进铁素体形核和细化晶粒.电子结构分析表明,Zr和Cu引入界面后,界面处的Zr,Cu原子和C原子的相互作用变弱;然而Cr和W引入界面后,Cr,W和C原子之间形成了很强的非极性共价键,提高了ferrite/Nb C界面的结合强度.     

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.     

合金元素对α-Fe氢扩散行为影响的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了H原子在α-Fe和α-Fe-Me(Me=Cr、Mo、Ni、Cu、Mn)晶胞中的扩散行为,建立了α-Fe和α-Fe-Me中氢扩散系数与温度间的关系表达式,探讨了合金元素Me对α-Fe中H扩散行为的影响作用.研究结果表明:合金原子Me与H原子间存在一定的键合作用,并且这种键合作用主要由Me价电子的d、s轨道与H的1s轨道所贡献;Cr、Ni、Cu、Mn元素将降低H原子扩散激活能,而Mo元素会提高氢扩散激活能,显著降低氢扩散系数,这说明添加适量Mo元素将有利于防止铁素体氢致开裂,这将对抗H₂S应力腐蚀新材料的设计提供一定理论依据.     

B对Mo等元素在奥氏体钢/Cr2O3界面占位倾向影响的理论研究

超级奥氏体不锈钢中因含有更高铬、钼含量,具有极高的耐点蚀、晶间腐蚀性能,这与Mo等合金元素对钝化膜结构的影响密切相关,尤其含硼超奥钢钝化层表面Cr、Mo含量明显增加,但其原子层次的微观作用机制尚不清楚.本文采用第一性原理方法,研究了置换原子(Mo、Mn、Ni、Si),及间隙原子B在fcc-Fe/Cr₂O₃界面占位倾向,并分析了可稳定存在于界面B对这些元素偏析倾向的影响.结果表明:Mo、Mn、Ni、Si、B均可与fcc-Fe/Cr₂O₃界面结构体系形成稳定结构;Mo、Ni倾向分布于界面基体侧,Mo有向氧化层扩散的趋势,B处于fcc-Fe/Cr₂O₃界面基体侧更稳定,Mn、Si易分布于氧化层中;存在于界面B对四种元素在fcc-Fe/Cr₂O₃界面体系中的占位影响不同,有利于Mn、Mo偏析于界面基体侧,但抑制Mo向界面基体侧的偏析程度,使得Si、Ni更均匀的分布于基体. Mo等合金元素分布于界面时的态密度来看,界面处M...     

密度泛函理论研究混合团簇Al12X(X=Sc、Ti、V、Gr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的结构和磁性

以四种13原子高对称性(Ih、Oh、D5h、D3h)密堆积结构为初始构型,通过不等价位原子替换,利用密度泛函理论系统研究了Al12 X(X=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)掺杂团簇的结构及磁性.结果表明:除Al12 Cr和Al12Fe以外,其它Al12X团簇的基态结构均以Ih替换结构为主,其中前3d元素(X=Sc、Ti、V、Mn)倾向于表面位置替换,而后3d元素(X=Co、Ni、Cu、Zn)则倾向于中心位置替换;Al12 Cr和Al12Fe团簇以Oh结构的表面替换为基态结构;对多数3d元素(X=Ti、V、Cr、Fe、Co、Zn)其掺杂团簇均出现明显的近能同分异构现象;相较纯Al13团簇掺杂团簇普遍体现出磁性增强效应.     

核反应堆压力容器模拟钢中富Cu原子团簇的析出与嵌入原子势计算

利用原子探针层析技术(APT)和热处理时效方法,研究了合金元素Ni对核反应堆压力容器模拟钢中富Cu原子团簇析出的影响.实验结果表明,添加合金元素Ni(0.84wt%)的样品中析出富Cu原子团簇的数量密度高于不添加Ni的样品,富Cu原子团簇内以及团簇和基体界面处都有Ni元素的富集现象,这说明合金元素Ni会促使富Cu原子团簇的析出.从多体势的角度出发,利用嵌入原子势理论,基于纯金属元素Fe,Cu,Ni的多体势参数,建立了Fe-Cu二元和Fe-Cu-Ni三元体系的嵌入原子多体势.计算结果表明,当模拟合金中存在1at%Ni时有利于富Cu原子团簇的析出,这与实验结果相符.     

密度泛函理论研究混合团簇Al12X(X=Sc、Ti、V、Gr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的结构和磁性

以四种13原子高对称性（Ih、Oh、D5h、D3h）密堆积结构为初始构型,通过不等价位原子替换,利用密度泛函理论系统研究了Al12X(X=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn）掺杂团簇的结构及磁性．结果表明：除Al12Cr和Al12Fe以外,其它Al12X团簇的基态结构均以Ih替换结构为主,其中前3d元素(X=Sc、Ti、V、Mn)倾向于表面位置替换,而后3d元素(X=Co、Ni、Cu、Zn)则倾向于中心位置替换;Al12Cr和Al12Fe团簇以Oh结构的表面替换为基态结构;对多数3d元素(X=Ti、V、Cr、Fe、Co、Zn)其掺杂团簇均出现明显的近能同分异构现象;相较纯Al13团簇掺杂团簇普遍体现出磁性增强效应．     

微合金化元素对Fe-Al界面结合的第一性原理研究

利用第一性原理中的DFT理论研究了Fe/Al界面的能量学和电子结构,讨论了替位型掺杂的元素Zn、Mn、Ni在Fe/Al界面处的作用.结果表明:元素Zn、Mn、Ni都会优先替换界面处的Fe原子,使得界面结合能增加,体系更稳定,有利于界面的结合;跨界面的Fe原子与Al原子之间的电荷布居、键长以及差分电荷密度图的计算表明:掺杂后有利于跨界面的Fe-Al间成键,从而加强了Al层与Fe基体的结合,且结合强度由强到弱依次为:掺Zn>掺Mn>掺Ni;与实验比较吻合.最后对掺杂Zn的增韧机理加以解释.     

XAFS和XRD研究高能球磨对Fe70Cu30合金结构的影响

利用XRD和XAFS方法研究机械合金化Fe70Cu30二元金属合金随球磨时间的结构变化.XRD结果表明,球磨2 h后,部分金属Fe与Cu生成Fe-Cu合金;球磨20h后,金属Fe与Cu已完全合金化生成Fe-Cu合金,并只在2θ=44°处出现一个宽化的弱衍射峰,认为是在球磨20h后的Fe70Cu30合金中共存着fcc和bcc结构的Fe-Cu合金相.XAFS结果进一步表明,在球磨的初始阶段(2h),fcc结构的Cu颗粒的晶格产生较大的畸变,其无序度σ(σ＝σT+σS)为0.0190nm.球磨5h后,部分fcc结构的Cu原子进入了无序度相对较小的bcc结构的α-Fe相,导致Cu原子的平均无序度σ降为0.0108 nm.球磨10h后,样品中很大比例的Fe原子处于fcc结构的Fe-Cu合金相,其无序度为σ=0.0119 nm;而大部分Cu原子依然保持fcc结构,无序度为σ=0.0110 nm.这是由于扩散到bcc结构α-Fe相的Cu原子超过某一浓度后(约30%-40%),Cu原子能诱导其产生fcc结构相变所致.球磨时间增加到20h,样品中Cu原子和Fe原子在fcc和bcc相的比例与球磨10h基本相同,生成的Fe-Cu合金混合相的组成和结构分别近似于bcc结构的Fe80Cu20和fcc结构的Fe60Cu40.     

Fe和Co对Ni2MnGa合金(110)马氏体孪晶界面电子结构的影响

利用密度泛函理论研究了Fe，Co两种合金元素对Ni₂MnGa合金(110)马氏体孪晶界面电子结构的影响. 分别从界面能、偏聚能、磁矩、键序和电子态密度等角度对合金元素在界面处的掺杂效应进行了分析和比较. 计算结果表明，在对界面的钉扎作用上，Co的界面掺杂效应较Fe的掺杂效应强；对于界面磁性的影响，Fe掺杂对界面磁结构的作用比Co掺杂显著. 关键词： 密度泛函理论 孪晶界面 掺杂效应 马氏体     

Cu含量对Ni_(55)Fe_(18)Ga_(27)合金结构和磁性的影响

系统研究了Cu分别替代Fe和Ni对Ni_(55)Fe_(18)Ga_(27)结构和磁性的影响.结果表明:熔炼Ni_(55)Fe_(18-x)Cu_xGa_(27 )(x=1, 2, 3, 4)虽仍为奥氏体相结构,但伴有γ相出现;居里温度随Cu含量增加而降低,这是由于Cu掺杂引起过渡金属近邻原子间相互交换作用减弱所致;交流磁化率随Cu含量增加而降低,原因在于Fe是磁性的主要贡献者,Cu替代Fe会削弱Fe的磁矩,从而导致合金磁性降低.熔炼、退火和甩带Ni_(51)Cu_4Fe_(18)Ga_(27)均存在马氏体相变.熔炼样品马氏体相变温度最高,退火和甩带样品基本相同.这一特点表明热处理方式能够改变原子排列的有序度,因此可以通过改变热处理方式来调控马氏体相变温度.     

钢铁材料中形变诱导相变超细化机理研究

通过计算机编程建立奥氏体相中12[1 1 0]刃位错、奥氏体相中非形变区和形变区奥氏体/铁 素体相界模型.用实空间的连分数方法计算了非形变区和形变区奥氏体/铁素体相界界面能， 计算了碳、氮及微合金元素在完整晶体及位错区引起的环境敏感镶嵌能，进而讨论形变过程 中铁素体形核的难易程度，碳、氮及合金元素在位错区的偏聚及析出与铁素体细化的关系. 计算结果表明：α-Fe易于在高密度位错区（形变带、亚晶界、晶界）形核，在奥氏体形变 过程中，就会大大提高α-Fe形核率，细化铁素体晶粒；碳、氮和微合金元素易于单独或共 同 关键词： 奥氏体/铁素体相界 刃位错 形变 晶粒细化     

Cu含量对Ni_(55)Fe_(18)Ga_(27)合金结构和磁性的影响

系统研究了Cu分别替代Fe和Ni对Ni_(55)Fe_(18)Ga_(27)结构和磁性的影响.结果表明:熔炼Ni_(55)Fe_(18-x)Cu_(x )Ga_(27)(x=1,2,3,4)虽仍为奥氏体相结构,但伴有γ相出现;居里温度随Cu含量增加而降低,这是由于Cu掺杂引起过渡金属近邻原子间相互交换作用减弱所致;交流磁化率随Cu含量增加而降低,原因在于Fe是磁性的主要贡献者,Cu替代Fe会削弱Fe的磁矩,从而导致合金磁性降低.熔炼、退火和甩带Ni_(51)Cu_4Fe_(18)Ga_(27)均存在马氏体相变.熔炼样品马氏体相变温度最高,退火和甩带样品基本相同.这一特点表明热处理方式能够改变原子排列的有序度,因此可以通过改变热处理方式来调控马氏体相变温度.     

Cu含量对Ni_(55)Fe_(18)Ga_(27)合金结构和磁性的影响

系统研究了Cu分别替代Fe和Ni对Ni_(55)Fe_(18)Ga_(27)结构和磁性的影响.结果表明:熔炼Ni_(55)Fe_(18-x)Cu_(x )Ga_(27)(x=1,2,3,4)虽仍为奥氏体相结构,但伴有γ相出现;居里温度随Cu含量增加而降低,这是由于Cu掺杂引起过渡金属近邻原子间相互交换作用减弱所致;交流磁化率随Cu含量增加而降低,原因在于Fe是磁性的主要贡献者,Cu替代Fe会削弱Fe的磁矩,从而导致合金磁性降低.熔炼、退火和甩带Ni_(51)Cu_4Fe_(18)Ga_(27)均存在马氏体相变.熔炼样品马氏体相变温度最高,退火和甩带样品基本相同.这一特点表明热处理方式能够改变原子排列的有序度,因此可以通过改变热处理方式来调控马氏体相变温度.     

Fe和Co对Ni2MnGa合金(110)马氏体孪晶界面电子结构的影响

利用密度泛函理论研究了Fe,Co两种合金元素对Ni2MnGa合金(110)马氏体孪晶界面电子结构的影响.分别从界面能、偏聚能、磁矩、键序和电子态密度等角度对合金元素在界面处的掺杂效应进行了分析和比较.计算结果表明,在对界面的钉扎作用上,Co的界面掺杂效应较Fe的掺杂效应强;对于界面磁性的影响,Fe掺杂对界面磁结构的作用比Co掺杂显著.     

γ-Fe中氢扩散行为的第一性原理研究

不锈钢中氢脆问题一直是研究者们关注热点,然而至今为止,对于钢中合金元素及空位与H原子之间的作用机理依然不清晰.采用第一性原理方法研究了H原子在不同体系下γ-Fe(Fe₈H、Fe₇Cr/MoH、Fe₇H)的扩散激活能、扩散系数以及扩散过渡态,对比了H原子在不同体系γ-Fe中的扩散难易程度,并从电子结构层次解释其相互作用.研究结果表明,空位的存在会改变H原子在γ-Fe中的扩散路径.在含空位的晶胞中H原子稳定存在于空位附近的近四面体间隙中,并沿空位附近的四面体间隙或八面体到四面体间隙路径扩散. γ-Fe中空位对H原子的影响是局域性的,一方面是捕获H原子的陷阱;另一方面降低了H原子的扩散激活能,促进H原子的扩散.而Cr/Mo的掺杂会降低空位对H原子的束缚,也会抑制H原子的扩散.     

Mg-Zr合金微观组织电子结构研究

用递归法计算了α-Mg与α-Zr的结构能、原子结合能,Mg/Zr界面能与Mg的表面能,Mg中Zr及Zr中Fe,Mn,Si,H等杂质原子相互作用能,Mg,Zr原子态密度及其在合金中的电荷变化. 计算发现,在晶体中与Mg态密度差别很大的Zr在Mg/Zr界面却与Mg趋于相近,从而界面电子环境与Mg相似,为Mg形核生长提供有利条件;α-Zr的结构能、原子结合能低于相应的α-Mg,且Mg/Zr界面能低于Mg的表面能,从能量角度合理解释了Zr先于Mg从Mg熔体析出,并作为异质核心细化Mg晶粒的实验现象. 原子相互作用 关键词： 电子结构 晶粒细化 Mg合金     

CdS/CdMnTe太阳能电池异质结界面与光电性能的第一性原理计算

CdS/CdMnTe异质结是具有集成分立光谱结构的叠层电池的"核芯"元件,是驱动第三代太阳能电池发展的核心引擎,其界面相互作用对大幅度提高太阳能电池的转换效率至关重要.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算构建CdS (002), CdMnTe (111)表面模型及Mn原子占据不同位置的CdS/CdMnTe异质结界面结构模型,分析CdS (002), CdMnTe (111)表面及异质结界面的电子性质和光学性质.晶格结构分析表明, CdS/CdMnTe异质结的晶格失配度约为3.5%,弛豫后原子位置与键长均在界面处发生一定程度的变化.态密度分析发现异质结界面的费米能级附近不存在界面态,并且界面处的Cd, S, Te原子之间的轨道杂化可增强界面的结合能力.差分电荷密度分析显示,界面处发生了电荷的重新分配,电子由CdMnTe转移到CdS侧.光学分析显示, CdS/CdMnTe异质结主要吸收紫外光,吸收系数可达105 cm~(–1),但不同Mn原子位置的异质结光学性质也稍有差别.在200—250 nm范围, Mn原子位于中间层的异质结的吸收系数更大,但在250—900 nm范围内, Mn原子位于界面层的异质结吸收峰更高.本文合理构建了CdS/CdMnTe异质结模型,计算分析了其界面光电性能,可为提高叠层电池的光电转换效率提供一定的理论参考,为实现多带隙异质结的实验研究提供一定的理论依据.     

掺杂对Ni51.5 Mn25 Ga23.5相变行为和磁性的影响

通过往母合金Ni51.5Mn25Ga23.5掺入7种ⅣA,ⅤA和ⅥA过渡族元素得到系列掺杂合金Ni51.5Mn23M2Ga23.5.M为掺杂元素.实验结果表明,掺杂效应一般引起马氏体相变温度的下降,其中,W的掺杂是7种元素中唯一使相变温度升高的特例,且出现了中间马氏体相变.同时,在价电子浓度不变的情况下,相变更敏感于原子的尺度效应.实验发现,Ti,Zr,Hf,V四种非磁性元素的掺杂使Mn原子磁矩减小,而Nb,Ta,W三种非磁性元素的掺杂却可以明显地增大Mn原子的磁矩.在考察掺杂效应时,不能忽略马氏体相变引起的晶格变化对材料磁性的影响.     

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.