含铌钢中NbC/α-Fe界面关系的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,分别计算了NbC/α-Fe界面模型的几何结构和电子结构,在此基础上,探讨了含铌微合金钢中NbC与α-Fe界面关系及作用机理。结果表明,NbC析出物趋向于以α-Fe的体心Fe原子作为键桥结合;对上述结合方式模型的态密度、电荷密度和重叠布居数的分析表明,界面主要通过NbC顶端的C原子和Nb原子与相邻的体心Fe原子以共价键方式结合,使NbC/α-Fe界面体系在(110)面的结合能力增强,而NbC本身作为硬质点存在,能够阻止滑移进行,最终起到沉淀强化的作用。     

合金元素在NbC/fcc-Fe界面的偏析行为和硼的影响

基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法,研究了Si、Ni、Mn、Cr、Mo在NbC/fcc-Fe界面的偏析行为,以及B对合金元素界面偏析行为的影响。结果表明,Cr和Mo可以稳定存在于界面和NbC中; Mo 更倾向于在界面和 NbC 中偏析; Ni和Mn在界面上有轻微的偏析倾向。另外,Mo 容易偏析到 NbC 中形成复合碳化物。当Mo/Nb含量比小于2/3时,(Nb, Mo)C复合碳化物更稳定,结合能更大,这应该与Mo和C、Fe之间的强电子相互作用有关。当 B 掺杂到界面时, Mo 和 Cr 向界面偏析的趋势被抑制。特别是B抑制了界面处Mo的偏析,从而提高了材料的耐蚀性。此外,B可使Ni、Mn趋于均匀分布在基体中。     

Mn对中锰钢α-Fe/γ-Fe界面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,对Mn原子进入α-Fe/γ-Fe界面前后的分离功、界面能、电子结构和成键特征等特性进行了分析。结果表明:Mn原子在逆相变过程中倾向于置换奥氏体一侧铁原子,即倾向于向奥氏体扩散,从而使奥氏体的临界形核功减小,临界形核半径减小,形核数量增加,热稳定提高。另外,界面态密度和Milliken布居分析也解释了Mn增强α-Fe/γ-Fe界面稳定性的原因,为Mn促进奥氏体形核提供了理论依据。     

稀土La对含铌钢中NbC在α-Fe中析出行为的影响

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,研究了稀土La对含铌钢中NbC在铁素体区析出行为的影响。计算了α-Fe中La原子和Nb原子与空位之间,以及La原子和Nb原子之间的点缺陷结合能;此外,讨论了La在α-Fe中与Nb扩散激活能的关系。在此基础上,分析了稀土加入对铌析出行为的影响。结果表明:La原子与空位之间有较强的相互吸引作用,而与Nb原子之间则为相互排斥,这种结合能的差异会造成Nb的扩散迁移能有所升高。同时,La的加入使Nb原子近邻的空位形成能显著降低,从而促进α-Fe中Nb原子近邻空位的形成。迁移能与空位形成能变化的计算结果显示,La能够使α-Fe中Nb的扩散激活能显著降低,从而促进了铁素体区NbC的析出。     

合金元素掺杂对γ-Fe磁性影响的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算的方法研究了合金元素掺杂对γ-Fe磁性的影响。四种磁性γ-Fe的稳定性排序为:AFMDAFMNMFM。N/C在γ-Fe中的固溶会导致γ-Fe由AFMD态向FM态转变,即N/C间隙原子导致了γ-Fe晶体内局域形成铁磁性结构。置换合金元素掺杂影响了几种磁性结构γ-Fe(M)的相对能量和稳定性,较高浓度合金元素掺杂会导致γ-Fe(M)稳定的磁性结构的改变或局域内会存在亚稳定磁性结构。     

合金元素对Cu/γ-Fe界面特性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,计算合金原子在Cu/γ-Fe界面不同点阵位置的置换能,确定合金元素在Cu/γ-Fe界面模型的占位。通过对晶格错配度、界面结合能、界面能和电子结构的计算分析合金元素对Cu/γ-Fe界面特性的影响。计算结果表明:合金元素B、Si、P、Al、Zr使界面结合能增大,增强Cu/γ-Fe界面稳定性;B、Si、P等11种合金元素则会使界面能降低,有利于γ-Fe的时效析出形核。因此,B、Si、P、Al、Zr可以促进γ-Fe的析出,同时形成稳定的γ-Fe相。通过合金原子相对体积、晶格错配度和差分电荷密度的计算,分析合金元素的作用机制。     

合金元素在fcc-Fe/NbX(X=C,N)界面的偏析及影响

基于密度泛函理论(DFT)第一性原理方法,研究了Si、Ni、Mn、Cr、Mo在fcc-Fe/NbX (X=C, N)界面的偏析行为,并分析了合金元素偏析对界面体系的影响。结果表明,fcc-Fe/NbN界面结合强度相较于fcc-Fe/NbC界面结合强度略有提升;Si稳定存在于Fe基体中,Ni、Mn在界面有轻微偏析倾向,Cr、Mo在界面和NbX (X=C,N)内均存在偏析,其中,Mo向界面偏析倾向更大;Cr、Mo偏析在fcc-Fe/NbC界面一定程度上降低了界面的结合能力,但体系稳定性有所提升,Cr、Mo偏析在fcc-Fe/NbN界面一定程度上提高了界面的结合能力,但Mo使得体系稳定性下降。     

Mo改善TiC/Fe金属陶瓷界面润湿机理的价电子理论分析

本文以固体与分子经验电子理论(EET)为基础,通过建立添加Mo的TiC/Fe金属陶瓷复合材料的结构模型,计算了Mo的添加对TiC颗粒的包覆相(Ti1-xMox)C价电子结构以及陶瓷相/α-Fe相界面价电子结构的影响。结果发现:Mo的加入使陶瓷相的最强共价键nA增强、陶瓷相与α-Fe相之间界面电子密度增加,有利于α-Fe相对陶瓷相的润湿改善,初步分析了这种微观电子结构的变化与宏观润湿性之间的关系。     

原位自生NbC陶瓷增强铁基复合材料研究

采用原位反应与两步法热处理结合方法,使铌丝提供的铌原子与灰口铸铁中石墨提供的碳原子发生原位自生反应,制备了NbC增强铁基复合材料。采用XRD、SEM、TEM等检测手段对复合材料的物相组成与组织结构进行分析,利用显微硬度计对复合材料进行硬度与显微压痕形貌及压痕裂纹分析。结果表明,通过原位反应成功制备了NbC增强铁基复合材料,该复合材料的主要物相组成为α-Fe、Nb、NbC、G。NbC/Fe陶瓷层的厚度约为242±3μm,NbC/Fe陶瓷层与Nb丝、铁基体之间呈现良好的冶金结合。NbC陶瓷颗粒形貌为标准的立方体,NbC/Fe陶瓷层的显微硬度是铁基体的3～4倍。     

Ni(001)/Ni_3Nb(001)面界面性质的第一性原理研究(英文)

采用第一性原理赝势平面波的方法研究Ni(001)、Ni3Nb(001)表面和Ni/Ni3Nb(001)界面。计算界面终端为Ni或Ni+Nb,堆积方式为顶部位置或空心位置这4种界面模型的粘附功、稳定性及电子结构。结果表明:Ni(001)和Ni3Nb(001)表面具有8个原子层时展现出较好的体相似性;以Ni+Nb为界面终端,堆积方式为空心位置的界面模型具有最大的结合强度和临界裂纹扩展应力,且具有最好的热稳定性。该模型界面处的Ni原子和Nb原子之间是共价键,这主要是由Nb 4d和Ni 3d轨道的电子贡献的。比较Ni/Ni3Nb(001)界面和Ni/Ni3Al(001)界面的性质可知,前者的热稳定性比后者的差,且更难形成界面,但是Ni/Ni3Nb(001)界面的形成能改善镍基合金的力学性能。     

Mo元素对TiC(100)/α-Fe(100)界面稳定性及电子特性影响的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了Mo元素对TiC(100)/Fe(100)界面稳定性和电子特性的影响.建立了Mo元素处于5种不同位置的掺杂TiC(100)/Fe(100)界面模型,采用界面粘附功和界面掺杂能评价了Mo元素对界面稳定性的影响,采用差分电荷密度、Mulliken布居和态密度分析了其对电子特性的影...     

第一性原理研究合金元素对3C-SiC/Mg界面的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究掺杂单个Al、Zn、Cu、Ni、Li、Zr原子对3C-SiC/Mg体系界面结合的影响,选取代表性的Zn原子和Zr原子进行Mulliken电荷、重叠布居数和态密度计算分析。结果表明,3C-SiC/Mg界面模型最稳定的堆垛结构是将5层的Mg（0001）堆垛在10层的 3C-SiC（111）面上,C封端的中心型模型在6种3C-SiC/Mg模型结构中分离功最大,界面间距最小,界面的润湿性最好;掺杂Zn原子后,3C-SiC/Mg-Zn体系的分离功减小,掺杂的Zn原子与Mg原子成反键,态密度中赝能隙变小使得3C-SiC/Mg-Zn体系的共价键性减弱,不利于3C-SiC/Mg-Zn界面结合; 掺杂Al、Cu、Ni、Li、Zr原子后,体系的分离功增大,Zr原子对界面润湿性的改善效果最好。掺杂Zr原子后,界面层Mg原子与Si原子的反键消失,与C原子在界面处形成Zr-C强共价键,态密度离域性增强,成键能力增强,导致3C-SiC/Mg-Zr体系的分离功增大最多。     

稀土Ce在α-Fe中占位倾向与作用机理的密度泛函理论研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),计算了Ce原子在α-Fe晶内、晶界和自由表面的杂质形成能,在此基础上,研究了稀土元素Ce在α-Fe中的占位倾向,并根据Rice-Wang热力学模型讨论了Ce元素在晶界的韧脆化作用。结果表明:Ce倾向于偏聚在α-Fe晶界区,此外,Ce在晶界和自由表面的杂质形成能之差小于零。α-Fe晶界掺杂Ce前后的电子结构显示,Ce占位于晶界后,为掺杂区提供了更多的电子用于成键,与晶界上相邻Fe原子的作用加强,使掺杂区产生由金属键向离子键变化的趋势,也使晶界上Fe原子的成键态能量比重增加,从而增强了掺杂区原子之间的结合能力。同时,Ce加入后与晶界上Fe原子外层轨道发生较为强烈的相互作用,并使晶界上的原子成键区态密度左移,降低了体系总能量。     

LaS/CeS与γ-Fe异相界面性质的第一性原理计算

为了探讨LaS/CeS与γ?Fe两相之间的异相界面性质,本文采用边?边匹配(E2EM)模型计算了LaS/CeS与γ?Fe两相之间晶体学上的原子匹配情况,基于晶体学计算结果,采用基于密度泛函理论的第一性原理,从原子尺度计算了LaS/CeS与γ?Fe之间的界面结合性质与界面能。晶体学计算表明,LaS/CeS与γ?Fe之间沿匹配列的原子间距错配度最小值为10.63 %/10.52 %,密排面间距错配度最小值为2.04 %/3.32 %;LaS与γ?Fe之间粗略的位向关系为：LaS∥γ-Fe & LaS∥γ-Fe和LaS∥γ-Fe & LaS∥γ-Fe ;CeS与γ?Fe之间粗略的位向关系为：CeS∥γ-Fe & CeS∥γ-Fe和CeS∥γ-Fe & CeS∥γ-Fe。基于预测的晶体学位向关系,采用相干界面近似构建了6种不同终端界面模型,第一性原理计算表明,LaS/CeS与γ?Fe之间原子匹配错配度最低界面的粘附功为4.78J·m?2/3.65J·m?2,界面结合强度较高,界面键合以金属键为主。异相界面能计算表明,LaS/CeS与γ?Fe两相之间的原子匹配错配度越小,界面能越低,原子匹配错配度最小时,界面能分别为?0.58J·m?2/?3.43J·m?2,计算结果能够为LaS/CeS与γ?Fe之间的晶体学匹配提供能量学依据。     

TiC(100)/α-Fe(100)界面稳定性及电子特性的第一性原理研究

采用第一性原理方法,研究了 TiC(100)/Fe(100)界面稳定性和电子特性.建立了 4种不同原子堆垛方式的界面模型,采用界面粘附功、界面能和断裂功评价界面稳定性;采用差分电荷密度、Mulliken布居和态密度分析了电子特性.结果表明:Fe原子位于C原子上方的堆垛模型界面粘附功最大,界面能最小,界面结构最稳定.其界...     

点缺陷和Nb掺杂对α-Zr弹性模量各向异性影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了点缺陷和Nb原子掺杂对α-Zr力学性质的影响。结果表明,单空位引入使得α-Zr的剪切模量增大,Nb原子掺杂使得α-Zr的剪切模量下降。通过计算含不同点缺陷的α-Zr三维杨氏模量,得到点缺陷引入和Nb掺杂均会使α-Zr结构的各向异性减弱,从而可以在一定程度上缓解因各向异性导致的锆合金辐照效应。     

TiN(111)/DLC界面粘附功和电子结构的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理,采用平面波赝势方法,研究了Ti N(111)/DLC界面的粘附功和电子结构,阐明了Ti N过渡层改善金属基体和DLC薄膜结合性能的内在机理。根据Ti N(111)面不同的表面终端(Ti终端和N终端)和界面原子配位类型(顶位、中心位和孔穴位),构建和计算了6种可能的Ti N(111)/DLC界面理论构型。结果表明:当Ti N(111)以Ti原子为终端时,中心位堆垛界面(Ti-center)的粘附功最大;当Ti N以N原子为终端时,顶位堆垛界面(N-top)为最稳定的界面模型,弛豫后的粘附功为8.281J/m2。差分电荷密度、分态密度、Mulliken布居数的计算结果均表明:Ti-center界面Ti原子和C原子形成的Ti-C键包含共价性和离子性;N-top界面处C原子和N原子形成C-N共价键。相比之下,N-top模型更有可能在Ti N/DLC界面中出现。     

Al、Cr和Nb在Mo(111)/MoSi2(110)界面的元素效应

运用第一性原理平面波赝势方法计算了Mo(111)/MoSi2(110)的界面结构,并通过元素界面偏析能的计算确定了Al、Cr和Nb在Mo(111)/Mo Si2(110)的偏析位置,结合脱粘功和差分电荷密度揭示了Al、Cr和Nb对Mo/Mo Si2界面结合强度的影响。结果表明:Si顶位型配位方式的界面能最小,最为稳定,在Mo(111)/MoSi2(110)界面结构中倾向于以Si顶位型配位方式结合,其界面分离面在近界面Mo Si2(110)一侧的亚界面层。Nb对界面结合不利,Cr可适当提高界面结合强度,而Al对界面强度的影响取决于其界面覆盖度。究其原因是由于Nb在界面偏析形成的Nb—Si键相比于Mo—Si键有明显减弱,Cr形成的Cr—Si键略有增强,而Al的界面覆盖度对形成的Mo—Al键强弱影响较大。     

Mo掺杂对TiAl合金物性影响的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了金属元素Mo掺杂对TiAl合金体系力学性能的影响。根据计算得到的不同浓度掺杂体系的晶格常数、弹性常数、体弹模量及剪切模量发现,Mo掺杂能较好地改善TiAl合金的延性。从Mo掺杂后TiAl体系的分波电子态密度和电荷密度图,发现Ti原子的s、p、d电子均与邻近的Mo原子发生强烈的s-s、p-p、d-d电子相互作用,有效地束缚了合金中Ti和Al原子的迁移,有助于提高合金的稳定性和强度。     

第三组元Cr对Fe/Al_2O_3界面影响的第一性原理研究

采用第一性原理方法,研究了第三组元Cr对Fe/Al_2O_3界面的影响;同时对态密度进行了分析。结果表明:当Cr原子掺杂界面上Fe1原子时界面偏析能最小,即Cr原子向界面Fe1原子处偏析的趋势最大。采用Fe(111)面与氧终端的Al_2O_3(0001)面构成Fe/Al_2O_3界面,其结合主要受到界面两侧铁原子和氧原子的作用。铬原子掺杂铁原子时在界面处偏析减弱了铁原子与氧原子的相互作用,从而减弱了界面的结合力。