微量P对NiAl力学性能影响的理论研究

采用第一原理赝势平面波方法和基于虚拟晶体势函数近似(VCA),计算了P微合金化(浓度x<0.2at%)时完整与缺陷B2-NiAl晶体的弹性性质,并采用弹性常数C44、Cauchy压力参数(C12-C44)、杨氏模量E、剪切模量G及其与体模量B0的比值G/B0等,表征和评判了P微合金化浓度x对NiAl金属间化合物延性与硬度的影响。结果表明:无论是理想NiAl晶体,还是含Ni空位或Ni反位的NiAl缺陷晶体,P合金化不能有效的影响其硬度的变化趋势;随着P合金化浓度的稳步增加,理想NiAl晶体的Cauchy压力参数和G/B0比值的变化再现了0.07at%的P可以提高NiAl的室温压缩塑性的实验结果,而缺陷NiAl晶体的Cauchy压力参数和G/B0比值的变化比较好的解释了实验上出现0.03at%的P提高NiAl室温压缩塑性可能是因为Ni反位协同占据Al原子位的P相互作用的缘故。     

NiAl力学性质合金化效应的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算几种合金化元素X(X=Cr、Mn、Fe、Co和Cu)与不同Fe含量(0,3.125%,4.167%,6.25%,摩尔分数)(NiFe)Al超胞的几何与电子结构,并采用如下几个力学参数:弹性常数C44、Cauchy压力参数(C12-C44)、弹性模量E和剪切模量G及比值G/B0等,表征和评判了合金化元素X与不同Fe含量对NiAl金属间化合物延性与硬度的影响。结果表明:高浓度(6.25%)合金化虽可提高NiAl晶体的硬度,但却导致NiAl延展性降低,合金化后NiAl硬度增加的次序为:(Ni7Mn)Al8>(Ni7Co)Al8>(Ni7Fe)Al8>(Ni7Cr)Al8>(Ni7Cu)Al8>NiAl,其延性降低次序则与硬度增加次序相反;随着Fe含量的升高,NiAl晶体的硬度增加,但其使硬度增加的上限约为4%,而随着Fe含量的降低,NiAl晶体的延性逐步增大,当Fe含量低到一定程度时,可改善NiAl晶体的本征脆性。     

Ce与Cr协同作用B2-NiAl合金力学性能的理论研究

本文采用第一性原理赝势平面波方法,基于虚拟晶体势函数近似(VCA),研究了不同浓度x (x=0~2.2%,原子百分比)的Ce和Cr 单独及协同合金化对B2-NiAl晶体弹性模量E、剪切模量G、 Cauchy压力参数及G/B0比值的影响。结果表明：Cr占据Ni原子位能显著提高B2-NiAl合金的剪切模量G和弹性模量E, 而Ce占据Al原子位则能降低其合金的G和E；随着合金化浓度提高到2.1%,Cr占据Al原子位能改善B2-NiAl合金的延性,而当Ce取代Al原子位协同Cr取代Al原子位时,对其延性的改善效果比各自单独合金化的效果更显著,且以合金化浓度为2.0%时为最佳效果。这一理论计算很好的重现了实验中Ce与Cr协同合金化明显提升B2-NiAl合金室温延性的现象。电子态密度分析显示,Cr原子或者Cr协同Ce原子能够削弱B2-NiAl晶体当中的Ni(d)-Ni(d)主要成键峰的杂化效应,降低主要成键峰的方向性。     

第一性原理研究点缺陷对B2结构NiAl合金性能的影响（英文）

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算分析了含点缺陷结构NiAl晶胞的形成热、形成能、点缺陷平衡浓度、力学性能、电子结构等。将NiAl与其他B2结构的金属间化合物进行对比,发现NiAl拥有更好的塑性和成键强度。根据形成热、形成能和点缺陷平衡浓度的计算结果,发现Ni反位和空位缺陷是NiAl晶胞结构中主要的点缺陷。通过Pugh(G/B_0)和Cauchy(C_(12)–C_(44))准则预测出Ni空位和反位缺陷、Al反位缺陷能够提升NiAl合金的脆性,其中Ni空位缺陷作用最明显;而Al空位缺陷能够改善NiAl合金的塑性,但在NiAl合金中的浓度很低。态密度计算结果发现NiAl合金具有良好的导电性能,Ni空位缺陷、Al空位和反位缺陷能够提升NiAl合金的稳定性。     

微观相场法计算Fe含量对NiAlFe三元合金中反位缺陷的影响

采用三元微观相场模型,对铝含量大于25%(原子分数,下同)与镍含量大于75%(原子分数,下同)的NiAlFe三元合金中反位缺陷NiAl、AlNi随Fe含量变化的规律进行模拟计算,其中NiAl(AlNi)表示Ni(Al)原子占据Al(Ni)格点产生的反位缺陷。结果表明:在一定温度范围内,随着Fe含量的增大,铝含量大于25%的NiAlFe合金中AlNi浓度明显上升,NiAl浓度略有上升,但小于AlNi浓度,相反在镍含量大于75%的NiAlFe合金中NiAl浓度明显上升且远大于AlNi浓度;同一温度下比较铝含量大于25%与镍含量大于75%的NiAlFe合金中反位缺陷受Fe含量影响的程度差异,发现前者的AlNi浓度比后者受Fe含量影响大,而后者的NiAl浓度比前者受Fe含量影响大。此外,反位缺陷NiAl和AlNi浓度随时间的演化规律均是逐渐由初始值降低至平衡值;温度升高促使反位缺陷演化变缓慢以及平衡时浓度增大。     

V掺杂Ni3Al点缺陷结构及合金化效应的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究了V掺杂Ni3Al合金的电子结构和点缺陷结构.通过计算与实验结果对比选择了适合Ni3Al合金计算的近似方法,计算了含有各个缺陷的晶胞的晶格常数,形成热和结合能,点缺陷的形成能和平衡浓度,态密度和电荷密度.计算结果表明:Ni3Al合金中反位缺陷较空位缺陷易形成,NiAl是Ni3Al合金中最主要的反位缺陷,Al位最易形成缺陷,在1400 K时,空位缺陷的浓度远远低于反位缺陷的浓度.V加入Ni3Al合金体系中能提高合金的稳定性.     

基于马儿可夫链B2-NiAl反位缺陷的模型推导与计算

基于马儿可夫链理论和Bragg-Williams型方程,建立了描述反位缺陷占位几率的基本方程和转移几率;推导出了平衡时空位与反位缺陷浓度的表达式。利用所建模型结合第一性原理平面波赝势法系统研究了NiAl中各种点缺陷,从定量计算和电子结构角度论证了平衡状态下,在Ni:Al=1附近,Ni和Al原子的占位服从Fermi-Dirac统计,并且当温度从800增加到1300K时,NiAl几率比AlNi几率大106～109倍,反位缺陷以NiAl为主。VNi浓度比AlNi浓度大105～107倍、而NiAl浓度比VAl浓度大106～1010倍。对于同一原子而言,NiAl比VNi稳定,AlNi比VAl稳定。     

B2-YX（X=Cu，Rh，Ag，In）点缺陷结构及其基本物性的理论计算

采用第一原理赝势平面波方法，计算了B2-YX（X=Cu，Rh，Ag，In）金属间化合物的基本物性。通过对不同点缺陷结构形成热和形成能的计算与比较，分析和预测了B2-YX金属间化合物中点缺陷结构的种类与存在形式。结果表明：B2-YX点缺陷结构主要是X子晶格上的空位与Y子晶格上的反位，在富Y的YX金属间化合物中主要为X空位，在富X的YX金属间化合物中则主要是X反位。通过对B2-YX金属间化合物完整晶体与点缺陷结构Cauchy压力参数C12．C44和G／B。值的比较，发现点缺陷能明显提高B2-YX金属间化合物的室温塑性，推测这很可能是含有点缺陷的实际B2-YX多晶材料比无缺陷理想单晶和NiAl多晶材料表现出更好室温塑性的原因之一。     

微观相场法研究高铝Ni75AlxV25-x中Ni3Al反位缺陷

采用微观相场法研究高Al浓度Ni75Akv25-x合金析出相Ni3Al的反位缺陷随Al浓度增高的变化规律.选取在1150 K温度下时效从8 at%Al至20 at%Al的共14个合金作为研究对象.研究结果显示:此类型合金主要反位缺陷类型是VAl、NiAl;随Al浓度增高,反位缺陷AlNi增高:而Ni Al、VAl、VNi 3种反位缺陷变化与Al浓度和Ni3V析出与否相关,Al浓度稍低时,有Ni3v相析出,Al浓度增高反位缺陷Ni Al降低,VHi升高,VAl没变化;Al浓度稍高时,无Ni3V相析出,Al浓度增高反位缺陷NiAl稍有降低,VNi、VAl明显降低.     

Effects of point defects on properties of B2 NiAl: A first-principles study

The basic properties, heats of formation, energies of formation, equilibrium concentration of point defects, elastic properties, and electronic structures for point defect structures of B2-NiAl crystal are detailed analyzed by the density functional theory. Compared with B2-NiAl and other B2 intermetallic compounds, purity NiAl has the better ductility and bonding strength. According to the calculated heats of formation, energies of formation, and equilibrium concentration of point defects, the Ni antisite and Ni vacancy are primary defects in B2-NiAl crystal. The calculated G/B0 and Cauchy pressure parameters C12–C44 values confirm that Ni vacancy, Ni antisite, and Al antisite can promote the brittleness of B2-NiAl, and in which Ni vacancy is the primary defect, while Al vacancy with a low concentration can improve ductility of B2-NiAl. The density of state confirms that B2-NiAl intermetallic compounds are conductors, and point defects can promote the stability of the system expect Ni antisite defect.     

韧性金属间化合物CeAg的第一性原理计算(英文)

采用第一性原理计算法研究具有B2(CsCl)结构的二元韧性金属间化合物CeAg的结构、力学性能、电子性质以及热力学性能。利用广义梯度近似计算得到的晶格常数为3.713,比自旋密度近似计算的结果更符合实验值。负的形成能表明具有B2结构的CeAg是热力学稳定相。Ce和Ag原子的d能带相互分离导致两者的键合杂化作用较弱,从而阻止具有方向性的共价键形成。计算得到了CeAg的3个独立弹性常数(C11,C12和C44),体模量、剪切模量、弹性模量、各向异性因子以及泊松比分别为57.6GPa、15.8GPa、43.4GPa、3.15和0.374。弹性常数符合所有力学稳定性准则。CeAg的Pugh判据值为3.65,当Pugh判据值大于1.75时,CeAg具有良好的韧性。此外,还计算和讨论了CeAg的体积、体模量、热容和热膨胀系数随温度或者压力的变化规律。     

镍基合金TLP扩散焊接头中二元共晶沉淀相Ni-M(B、Si、Zr和Hf)的性能

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势计算方法,计算了Ni-M(B、Si、Zr和Hf)二元共晶沉淀相(Ni2B、Ni3B、Ni3B2、Ni23B6、Ni3Si、Ni5Zr和Ni5Hf)的相稳定性、弹性常数、硬度及相应的电子结构。相稳定性计算结果表明,二元共晶沉淀相结构稳定性变化趋势由高到低的顺序为Ni3Si、Ni5Zr、Ni2B、Ni5Hf、Ni3B、Ni3B2、Ni23B6,这意味着降熔元素Si形成的Ni3Si沉淀相稳定性强于降熔元素B、Zr和Hf形成的沉淀相。弹性力学计算表明,Ni3B2表现为很强的各向异性,Ni2B、Ni3B和Ni3Si表现出一定的各向异性,而Ni23B6、Ni5Zr和Ni5Hf则表现为较强的各向同性。二元共晶沉淀相B/G值均大于1.75,这意味着它们为延性相。硬度计算的由小到大的小趋势为Ni3B2、Ni3B、Ni23B6、Ni2B、Ni5Zr、Ni3Si、Ni5Hf,其与各相中Ni 3d与B 2p,Si 3p,Zr 4d和Hf 5d的原子轨道杂化强度密切相关。     

高压高温下Re 2 N的弹性和热力学性能

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究高压高温下Re2N的晶体参数、力学性能和热力学性能。结果表明：在高压下Re2N具有明显的弹性各向异性,与弹性常数C12、C13、C44相比,C11和C33的变化随着压力的变化非常明显。此外,首次计算Re2N的体弹模量B、弹性模量E和剪切模量G沿不同晶轴的分布。弹性模量在一些主要晶轴方向上的大小分布趋势如下：[0001][1211][1010][1011]EEEE〉〉〉。计算结果还表明：在（0001）晶面,Re2N的抗剪切能力是最低的,从而极大地减小对大剪切变形的阻力。基于准简谐德拜模型,在0~50GPa压力和0~1600K温度下得到德拜温度、格林艾森参数、热传导以及热扩散系数的变化行为。     

Composition-dependent elastic properties and electronic structures of off-stoichiometric TiNi from first-principles calculations

The composition-dependent elastic properties and electronic structure of off-stoichiometric TiNi with a B2 structure are investigated by using the first-principles exact muffin-tin orbitals method in combination with coherent potential approximation and first-principles plane-wave pseudopotential method (for computing bonding charge densities). The Zener anisotropy, c₄₄/c′, increases with increasing Ni contents, but is quite small, indicating a strong correlation between the softening of c₄₄ and c′ with decreasing temperature during martensitic transformation (MT). For the Ni-rich TiNi, c₄₄ increases with increasing Ni content whereas c′ decreases. On the Ti-rich side, both c₄₄ and c′ are insensitive to the composition. It was observed that larger c₄₄ corresponds to higher MT temperature, and the composition dependence of elastic modulus is discussed on the basis of the bonding charge densities and electronic density of states. We propose that the strong composition dependence of the elastic modulus of the Ni-rich TiNi can be attributed to the Coulomb static electronic repulsion between the antisite Ni atoms and their surroundings. The insensitivity of the elastic modulus of the Ti-rich TiNi to the composition is due to the absence of such repulsion between the Ti antisites and their nearest neighbors.     

立方晶体弹性常数和EAM/FS势函数的关系

为了确定bcc和fcc晶体的EAM/FS势函数参数,研究了EAM/FS势函数与弹性常数的关系。对bcc和fcc结构晶体,分别导出压强(P)和体积弹性模量(B)、弹性常数(C44)和剪切弹性模量(Cp=(C11-C12)/2)的利用嵌入函数、对势函数和电子密度分布函数的表达式。发现C44和Cp的大小不仅取决于所考虑的原子和周围原子的距离,还受近邻原子排列状况的影响。将关于结合能(utot)和P、B、C44、C)p的5个拟合方程转化为求最小值的优化模型,给出了5种典型bcc结构晶体(V、Mo、Nb、Ta、W)和3种典型fcc结构晶体(Cu、γ-Fe、Ni)的结合能中待定参数的值。采用上述参数计算得到的最小结合能与实验结果一致,此时所对应的原子间距与晶格常数相同,表明了方法的有效性。     

High-temperature sliding wear,elastic modulus and transverse rupture strength of Ni bonded NbC and WC cermets

The effects of rapid pulse electric current sintering (PECS), substitution of WC by NbC and Co by Ni, and carbide additives (TiC and Mo₂C) on the microstructure, elastic modulus, B3B transverse rupture strength (TRS) and high temperature sliding wear on WC-Co, WC-Ni, NbC-Co and NbC-Ni cermets were studied. Additions of x% Mo₂C and y% TiC (where x and y were <10 wt%), coupled with PECS, significantly refined the NbC-Ni cermet's carbide grain size from ~5.0 μm to <0.8 μm, giving mechanical properties comparable to WC-Co and WC-Ni cermets: >14 GPa hardness and ~10 MPa.m^1/2 fracture toughness (K_IC) and ball-on-three-balls (B3B) TRS > 1600 MPa. The sintering techniques had negligible effect on the samples' elastic and shear modulus, and all WC-based samples had higher elastic modulus than all NbC-based samples (by ~120 GPa). High temperature sliding wear tests were carried out using a ball-on-disk tribometer, with a 10 N force, at a sliding speed of 1.34 m/s for 0.8 km (10 min) and 2.4 km (30 min), using 100Cr6 (AISI 52100) steel balls at 400 °C and 0% humidity. For the 2.4 km sliding distance, all the WC cermets had lower wear volumes than NbC cermets, with LPS WC-0.5Cr₃C₂-10Co having the lowest wear volume. Additions of TiC and Mo₂C to NbC-12Ni improved the sliding wear resistance, with TiC having the greater effect, reducing the sample wear rate by over 30% from 15.1 × 10⁻⁶ mm³/N·m to 9.4 × 10⁻⁶ mm³/N·m after sliding distance of 2.4 km. Generally, the LPS samples had lower wear volumes than the corresponding SPS samples, due to higher K_1c and TRS.     

铁氮化合物稳定性和弹性性能的第一性原理研究

目的计算分析ζ-Fe_2N和ε-Fe_3N两种铁氮化合物的结构稳定性和弹性性能。方法采用第一性原理模拟计算方法。结果两种物相的理论晶格常数与实验值吻合较好,且两者的形成能均为负值。通过两种物相的单晶弹性常数获取了相应的多晶弹性性能,所计算体模量(B)、剪切模量(G)和杨氏模量(E)均高于实验值。ε-Fe_3N多晶弹性性能的计算值与实验值存在一定的比例关系,约为1.3∶1,这个比例也适用于γ'-Fe_4N的体模量。两种物相的B/G比值分别为2.63和2.16。结论ζ-Fe_2N和ε-Fe_3N具有一定的热力学稳定性。两者的剪切模量和杨氏模量接近或优于钢,且具有一定的塑性。两种物相的弹性各向异性与它们的晶体结构密切相关。     

First-principle study on the physical properties of ultra-incompressible ReB2

The elastic and physical characteristics of ReB₂ crystal have been predicted through a method of density functional theory within the generalized gradient approximation (GGA). Five independent elastic constants are C₁₁=662 GPa, C₁₂=150 GPa, C₁₃=146 GPa, C₃₃=1090 GPa and C₄₄=263 GPa. The bulk modulus (B), shear modulus (G), Young's modulus (E), Poisson's ratio (γ) and the ratio of linear compressibility coefficient along the a- and c-axis crystal direction (Ka/Kc) are 356 GPa, 305 GPa, 711 GPa, 0.167 and 1.758, respectively. In addition, the dependence of bulk modulus (B) on temperature (T) and pressure (p) as well as the coefficient of thermal expansion (α_L) at various temperatures are evaluated and discussed. The coefficient of thermal expansion is consistent with the famous Gruneisen's law when the temperature is less than 1500K. Our results agree well with the other experimental results.