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。     

Ag表面性质的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算了Fcc-Ag晶体及其Ag(111)、Ag(110)与Ag(100)自由表面的能量、几何与电子结构.根据表面能的计算,预测了Ag表面的结构稳定性,结果表明密排Ag(111)面结构稳定性最好,低指数奇异面Ag(100)面次之,Ag(110)面的结构稳定性最差.通过对不同表面几何与电子结构的比较,初步分析了其结构稳定性差异的产生原因.表面原子驰豫不仅引起表面几何结构的变化,而且使表面层的电子结构与键合特性发生改变.驰豫后表面层原子的部分价电子跑到了表面层以上的真空区,使表面层原子的电子态密度峰形发生变化,还新形成了表面态,这是表面能产生的主要原因,而Ag(110)表面相对于Ag(111)与Ag(110)表面具有高表面活性的主要原因则源于其表面层原子显著的结构驰豫.     

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。     

3d过渡金属在NiAl中占位的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法研究了NiAl-X(X为3d过渡金属)合金体系的几何与电子结构.通过合金形成能的计算与分析发现:合金化元素的外层价电子数对其在B2-NiAl中的占位有非常明显的影响,低价电子数的前过渡金属Sc、Ti、V与后过渡金属Zn主要占据Al原子位,具有未满d壳层高价电子数的Mn、Fe、Co则主要占据Ni原子位,而含有半满或满d壳层的Cr与Cu,则既可占据Ni原子位也可占据Al原子位,但倾向于占据Ni原子位.随着合金化元素外层价电子数的增加,3d过渡金属优先占据Ni原子位的趋势增大,至Mn时达到最大,然后随着价电子数的进一步增加,这种趋势逐渐减小.通过对这些合金化元素价电子态密度图的变化,说明3d过渡金属在B2-NiAl中的占位优先趋势.     

过渡金属氮化物的结合能第一原理计算

本文采用第一原理平面波赝势法计算出过渡金属氮化物的晶格常数,在此基础上计算该类物质晶格原胞的总能量,以及分别计算各单原子能量,进而利用结合能公式计算出该类晶体结合能.计算结果与试验值符合的很好,从而验证了通过第一原理计算可以准确的获得材料的很多特征参数.     

MgH2-Ti体系解氢能力的第一原理计算

采用基于密度泛函理论的第一原理赝势平面波方法,计算了不同含量的Ti固溶于镁氢化合物(MgH2)中形成(MgTi)H2,析出TiH2相形成TiH2/MgH2相界的能量与电子结构.负合金形成热的计算结果表明:对MgH2进行Ti合金化,体系相结构的稳定性变差,Ti在MgH2中固溶以及TiH2/MgH2相界的存在均有利于MgH2解氢能力的增强.电子态密度(DOS)与电子密度的进一步分析发现:合金化体系解氢能力增强的主要原因在于Mg-H之间的成键作用较弱,以及Ti诱导费米能级EF处电子密度N(EF)的增加和EF附近HOMO-LUMO能隙△EH-L的变窄甚至消失.     

Aln(n=2～24,55)团簇结构特性的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法计算Aln(n=2~24,55)团簇的几何、能态与电子结构,通过结合能Eb、HOMO-LUMO能隙ΔEH-L与能量二阶差分Δ2E(n)表征和考察团簇原子数n对Aln团簇基态结构稳定性的影响。结果表明:Aln团簇结构稳定性随团簇原子数n增加而增大,并在n为7,11,13,19,23等近幻数和高对称性结构处出现极值,相对其临近Aln团簇,具有较高的结构稳定性。DOS与吸收光谱分析表明,随着团簇内部s-p电子杂化的逐渐增强,Aln团簇结构的稳定性也随之增加,但即使当团簇原子数n达到55时,其微弱的表面效应仍不能消除。     

闪锌矿结构AlSb的嵌脱锂机理

利用第一原理赝势平面波计算方法研究具有闪锌矿结构AlSb的嵌脱锂机理。通过计算不同嵌锂相Lix(AlSb)(0≤x≤2)或Li2 yAl1-ySb(0≤y≤1)的形成能(ΔE),并结合相应的热力学原理便可得出当Li嵌入AlSb时的电压—比容量曲线图,由此进一步确认了锂在嵌入AlSb的结构时,首先是占据AlSb中的间隙位置,然后随着Li嵌入量的增加,可以逐步取代AlSb中的Al位置从而形成Li3Sb相。通过分析Li嵌入AlSb前后的能带结构及态密度图可以发现,AlSb的导电性能首先随Li嵌入量的增加而增加,当Li占据AlSb全部间隙位置后达到峰值,当Li进一步替代Al时导电性能随之降低。     

Ti-Nb-Al体系相结构稳定性的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,从合金结合能角度揭示了Ti8Al8→Ti6Nb2Al8→Ti5Nb3Al8相变的能量学因素,从相变热的角度解释了γ1(Ti4Nb3Al9)新相产生的原因,并从电子态密度在费米能级上电子数的多少阐明了Ti8Al8→Ti6Nb2Al8→Ti5Nb3Al8→Ti4Nb3Al9相变的电子机制。从理论上说明了在Ti-Nb-Al体系中,随Nb含量增加,在能量与电子结构层次上产生γ1相的原因。     

金属Zr热力学性质的第一原理研究

应用基于密度泛函与密度泛函微扰理论的平面波赝势方法计算了一组不同晶格常数下hcp结构金属Zr的声子谱及相应的静态总能,由此得到不同晶格常数下的自由能,由准谐近似及自由能极小判据得到自由能与温度的关系,进而计算了金属Zr热膨胀系数、体弹性模量、定容及定压摩尔热容与温度的关系,计算结果在较宽的温度范围内与实验相符.对热膨胀系数,同时应用Debye-Grüneisen模型进行了计算,并与第一原理方法的结果进行了比较.对摩尔热容的计算考虑了电子的贡献,表明在高温区电子热容的贡献不能忽略.     

Fe对NiAl力学性能影响的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,基于虚拟晶体势函数近似(VCA),计算Fe合金化(浓度x<3.0%,原子分数,下同)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Fe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:无论是无缺陷的理想NiAl晶体,还是含Ni空位或Ni反位的NiAl缺陷晶体,x<0.6%的Fe合金化均可使其硬度大幅提高。Fe合金化浓度低于0.5%时,虽然完整NiAl晶体的延性变差,但含Ni空位的缺陷NiAl晶体的延性却可明显改善,并以x=0.2%～0.4%时韧化效果最好。Ni空位或Ni反位降低B2-NiAl晶体的本征延性。实验中0.20%～0.25%的Fe合金化对NiAl晶体延性的改善很可能源于Fe原子与NiAl晶体中Ni空位间的关联与协同作用。     

Ti掺杂对VH2电子结构影响的第一原理研究

采用密度泛函理论 (DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法,对Ti掺杂VH2的超晶胞体系进行了几何结构优化。结果表明,随着Ti掺杂量的增加,V1-xTixH2晶胞参数逐渐增大,体系的总能量逐渐增大,体系的稳定性逐渐减弱,有利于改善放氢性能。对V1-xTixH2 (x = 0, 0.13, 0.30, 0.48, 0.65, 1)的电子态密度、净电荷、键级以及电子密度进行了计算和分析。计算结果表明： 随着Ti掺杂量的增加,V的净电荷逐渐增加,而H的净电荷逐渐减少,V-H的离子性相互作用增强,共价性相互作用减弱;在VH2中掺杂一定量的Ti以后,V-H之间的键级增大,V-H之间的相互作用增强,从而改善吸氢性能。当Ti含量大于0.48时,V-H之间的键级反而减小,V-H之间的相互作用减弱,合金的吸氢性能降低     

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型Y基金属间化合物YX（X=g，Cu，In，Rh）延性预测

采用第一原理赝势平面波方法——CASTEP程序计算了4种B2型Y基金属间化合物YH（X=Ag，Cu，In，Rh）的部分弹性性质，计算结果与文献报道值基本一致。通过Pugh定律、Cauchy压力和泊松比等经验判据，分析并预测了它们的脆性／延性，其延性高低次序为：YRh〉YAg〉YCu〉YIn。电子结构分析表明：这4种金属间化合物良好的延性源于其较强的金属键，而不同程度的Y（d）-X（p）电子杂化则导致了其延性的差异。YIn中因In的P电子较多，杂化程度高，共价键方向性强，因而延展性最低，而YRh则由于存在Y（d）-Rh（d）电子间强的相互作用，增强了其金属键作用，因而延性最好。     

含缺陷结构极限分析的权余法研究

结构极限分析是塑性力学的一个分支,在结构及机械设计中有广泛的应用.由于工程应用中受各种因素的影响,使得结构存在各种各样的缺陷.对该类结构进行极限分析研究,能反映结构的实际安全程度,而且能充分利用材料塑性性能的潜力.本文利用权余法中的配点法和子域法,结合塑性极限分析理论对含缺陷板和含缺陷圆柱壳结构进行了承载能力分析,得到了一些有意义的结果.     

机械合金化制备金属间化合物MoSi2

以Si粉和Mo粉为原料采用机械合金化的方法制备了金属间化合物MoSi2。研究了球磨过程中球磨时间、球料比、转速及不同球磨机类型对机械合金化产物的影响。利用SEM观察粉末表面形貌及颗粒大小，利用XRD测定物相结构。研究结果表明，当球磨机提供的能量达到相变所需的能量时，粉末中有MoSi2相生成。通过XRD分析可以看出，随着球磨时间的延长，合金化程度逐渐提高：球磨转速的提高有助于生成MoSi2：较高的球料比可以使生成MoSi2的时间提前。在机械球磨过程中，粉末的颗粒尺寸经历了一个由较粗且不规则、不均匀粉末向细小、均匀、接近球形粉末，然后团聚增大的转化过程。此外，还研究了助磨剂对合金化产物的影响，结果表明助磨剂的加入并不能促进MoSi2的生成，但可以对颗粒的细化起到一定作用。     

Al、Ti掺杂对Mg2Ni合金相结构稳定性的影响及其微观机理

采用第一性原理赝势平面波方法,研究元素Al和Ti掺杂对Mg2Ni储氢合金相结构稳定性的影响及其微观机理.结果显示:在掺杂浓度x＝0～0.5范围内,所形成的Mg2Ni型Mg2-xMxNi(M＝Al,Ti)固溶体合金的相结构稳定性随Al掺杂浓度的增大而增强,随Ti掺杂浓度的增大而减弱,且Mg2-xMxNi(M＝Al,Ti)固溶体合金相对于立方结构的Mg3MNi2(M＝Al,Ti)化合物呈现热力学不稳定性,极易分解成由立方结构Mg3MNi2(M＝Al,Ti)和六方结构Mg2Ni组成的复合相,计算结果与实验结果吻合.电子结构分析表明,Al、Ti掺杂Mg2Ni储氢合金的相结构稳定性与体系在低能级区的成键电子数密切相关.     

Q235B-2B硼微合金化钢的高温塑性

采用Gleeble-3800热应力-应变热模拟试验机对某钢厂生产的Q235B-2B硼微合金化钢230 mm×1800 mm连铸板坯进行高温力学性能测试,得到了600~1350 ℃温度区间的高温强度和热塑性曲线图。试验结果表明,此钢种第三脆性温度区为750~1000 ℃,低塑性区间较宽。通过扫描电镜观察,能谱分析发现晶界有许多MnS析出物以及少量的BN与MnS复合析出物。硼微合金化钢裂纹敏感性比较高,这是由于硼在晶界的偏聚以及第二相粒子在晶界的大量析出脆化晶界,影响钢的热塑性,结合热力学理论分析,降低氮含量可减少第二相粒子析出,改善钢种的热塑性。