Mg_(17)Al_(12)、Al_2Ca、Al_2Nd、Al_2Er金属间化合物稳定性与电子结构关系的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的Castep程序软件包,优化了Mg_(17)Al_(12)、Al_2Nd、Al_2Er及Al_2Ca等相的晶胞结构,计算了化合物的形成热、结合能和态密度等,分析了化合物结构稳定性与其电子结构的内在联系。结果表明:4种化合物的形成热和结合能均为负值,且化合物的合金化能力和结构稳定性强弱顺序依次为Al_2Er、Al_2Nd、Al_2Ca、Mg_(17)Al_(12)。态密度结果表明,Al_2Er和Al_2Nd具有较强结构稳定性的主要原因是:(1)在费米面低能级区,Al 3p轨道分别与Nd 4f、5d和Er 4f、5d轨道价电子发生强烈杂化作用;(2)Al_2Nd和Al_2Er成键电子数较多;(3)这_2种化合物的电子参与成键能力较大。电荷密度结果表明:Mg_(17)Al_(12)、Al_2Ca、Al_2Nd和Al_2Er中均存在金属键、离子键、共价键,4种化合物中Al_2Er、Al_2Nd共价键较强,Al_2Ca离子键最强,Mg_(17)Al_(12)中以较强的金属键为主。     

Mg-Er金属间化合物稳定性与电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势方法优化Mg-Er合金体系中MgEr、Mg2Er和Mg24Er5这3种金属间化合物的结构模型,通过形成热、结合能和电子结构的计算分析了化合物的稳定性与其晶体结构的内在联系。结果表明:3种Mg-Er金属间化合物的形成热和结合能均为负值,化合物的形成能力和稳定性均随着化合物中Er含量的降低而降低。在费米能级低能级区域,Mg的3s、2p轨道与Er的4f、5d轨道发生重叠,产生了轨道杂化;在费米能级高能级区域,Mg的2p轨道与Er的5d轨道也存在少量的杂化。随着化合物中Er含量的降低,化合物中平均每个原子在费米能级低能级处的成键电子数减少,化合物的稳定性降低。在Mg、Er原子周围均有大量的电荷存在,呈典型的金属键特征,Mg、Er之间的电子云只有部分重叠,交界处电荷的畸变不大。Mg-Er金属间化合物的价键结合具有金属键和共价键两重性,其中金属键占主导地位。Mg、Er原子的电荷转移量随化合物中Er含量降低而减少,化合物的共价键性降低,稳定性下降。     

Mg17Al12、Al2Y及Al2Ca相稳定性与弹性性能第一原理研究

采用基于密度泛函理论的Castep和Dmol程序软件包,计算了Mg17Al12、Al2Y及Al2Ca相的结构稳定性、弹性性能与电子结构。形成热和结合能计算结果表明:Al2Y具有最强的合金化形成能力和结构稳定性;热力学性质计算结果表明:在298~573 K温度范围内,Al2Y的Gibbs自由能始终最小,其结构热稳定性最好,Al2Ca次之,Mg17Al12最差,Y和Ca合金化Mg-Al系合金形成Al2Y及Al2Ca利于提高镁合金的高温抗蠕变性能;弹性常数的计算结果表明:3种金属间化合物均为脆性相,Mg17Al12的塑性最好;采用弹性常数计算结果预测的Al2Y熔点最高,其结构热稳定性最好。态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明:Al2Y结构最稳定的原因,主要源于体系在Fermi能级以下区域成键电子存在强烈的共价键作用。     

Mg-Al-Si-Ca合金系金属间化合物的电子结构和力学性能的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了Mg-Al-Si-Ca合金系金属间化合物Mg2Si,Mg2Ca,Al2Ca以及Si2Ca四相的形成焓,结合能,弹性常数及态密度。形成焓和结合能的计算结果表明:Al2Ca的合金化能力最强,Si2Ca相的结构最稳定;体模量(B)、剪切模量(G)、杨氏模量(E)和泊松比(ν)的计算结果表明:四相均为脆性相,且Mg2Si相的塑性最差,结合弹性模量和态密度分析,得出Mg2Ca的塑性最好;态密度和Mulliken布居分析表明:四相中均存在离子键和共价键,共价键由强到弱顺序为Si2Ca,Al2Ca,Mg2Si,Mg2Ca;而离子键强弱顺序按Mg2Si,Al2Ca,Si2Ca,Mg2Ca依次递减;而Si2Ca最稳定的原因是其共价键比其他三相更强。     

Mg17Al12相Ca合金化结构稳定性的第一原理研究

采用第一原理赝势平面波方法,计算了Mg17Al12相Ca合金化前后的能态与电子结构.计算结果显示:当Ca分别置换Mg17Al12相中Mg(Ⅰ)、Mg(Ⅱ)和Mg(Ⅲ)原子时,(Mg17-xCax)Al12相(x=0,1,4,12)的负生成热逐渐升高、结合能逐渐增大,表明Ca置换Mg17Al12相中Mg(Ⅲ)原子时其Ca合金化能力最强,合金化后形成的(Mg5Ca12)Al12相结构稳定性最高.电子态密度(DOS)分析结果表明:Ca合金化后Mg17Al12相结构稳定性升高的主要原因是由于合金化后来自Al(p)和Ca(s)的价电子使其在低能区的成键电子数增多.     

Sb、Bi合金化提高Mg-Al系合金抗蠕变性能的机理

采用基于密度泛函理论的Dmol 4.1程序,从合金形成热、结合能、热力学性能和态密度等方面,研究Sb、Bi合金化提高Mg-Al系合金抗蠕变性能的影响机理。结果表明：Sb、Bi分别置换Mg-Al系合金Mg17Al12相中Mg（Ⅰ）,Mg（Ⅱ）,Mg（Ⅲ）和Al原子时,仅Sb置换Mg17Al12相中Mg（Ⅰ）,Mg（Ⅱ）原子,Bi置换Mg17Al12相中Mg（Ⅰ）原子能形成稳定的Mg17Al12固溶体结构,这表明Sb、Bi在Mg17Al12中固溶量有限。进一步比较合金化形成稳定的固溶体结构,发现Sb、Bi合金化后,固溶体结构的稳定性比未合金化时增强,其中,Sb置换Mg17Al12相中Mg（Ⅱ）原子时,其结构稳定性最高,其次Sb置换Mg17Al12相中Mg（Ⅰ）原子,再次Bi置换Mg17Al12相中Mg（Ⅰ）原子;而析出金属间化合物Mg3Bi2和Mg3Sb2,比相应合金化Mg17Al12固溶体的结构更稳定。不同温度下热力学性能的计算发现,合金体系中形成了结构稳定性高的Sb、Bi合金化Mg17Al12固溶体以及金属间化合物Mg3Sb2和Mg3Bi2,这些相高的结构稳定性并不因温度的升高而消失,其结构稳定性仍比Mg17Al12相高,因此Sb、Bi合金化提高了Mg-Al系合金的抗蠕变性能。电子态密度的分析结果进一步表明,Mg-Al系合金中相结构稳定性提高的主要原因在于：Sb、Bi合金化后,体系费米能级以下低能级区成键电子数的增多,其来源主要是Mg（s）、Mg（p）、Al（p）、Bi（d）和Sb（d）的价电子。     

金属间化合物Mg_2Pb的电子结构和弹性性质

运用第一性原理方法计算了金属间化合物Mg_2Pb的电子结构以及弹性性质,并用Voigt-Reuss-Hill方法计算得到Mg_2Pb的弹性模量和切变模量.结果表明:Mg和Pb对态密度的贡献主要是Mg的2p轨道和Pb的5d轨道,其次为Mg的3s轨道和Pb的6p轨道,Pb的6s轨道贡献最小;在Mg原子周围有大量的电荷存在,呈典型的金属键特征,Mg、Pb之间存在共用的电荷,有较强的离域性,以共价键形式存在,但交界电荷的畸变不大,故共价键所占比例较少,金属键所占比例较大,Mg_2Pb化合物呈半金属性;Mg_2Pb的弹性模量和切变模量分别为68.6和27.9 GPa,Pugh经验判据和泊松比均表明Mg_2Pb具有脆性.     

Ti、Nb、Zr掺杂γ-Fe-(B)中的电子结构及键合作用的第一性原理研究

采用第一性原理的方法计算了 Ti、Nb、Zr固溶于γ-Fe-(B)后形成晶胞的体积变化率、晶胞总能、结合能、态密度、差分电荷密度、迁移激活能及力学性能,并由此研究了 Ti、Nb、Zr与γ-Fe-(B)的微观作用机理.结果表明,3种原子均优先取代γ-Fe-(B)晶胞中顶角位置的Fe原子.Ti掺杂后,γ-Fe-(B)的结合能降低,B原子的迁移激活能降低,B原子可能更容易偏聚.Nb、Zr掺杂后,γ-Fe-(B)的结合能升高,增加γ-Fe-(B)的稳定性.Zr对于提高γ-Fe-(B)稳定性的作用要大于Nb固溶.γ-Fe-(B)晶胞中,主要以离子键为主,并伴随少量的共价键;γ-Fe-(B)-Ti晶胞中主要形成的是较弱的离子键;而γ-Fe-(B)-Nb、γ-Fe-(B)-Zr晶胞中主要形成的是较强的共价键.M、Fe、B均提供成键电子,参与成键的是Md、Fe3d和B2p轨道.γ-Fe-(B)-Ti晶胞中Ti3d电子相对比较局域,参与成键的作用较弱,γ-Fe-(B)-Nb及γ-Fe-(B)-Zr晶胞中Nb4d电子及Zr4d电子离域性较强,成键能力较强.Ti、Nb、Zr均能提高γ-Fe-(B)的力学性能,主要表现为硬度及抗压强度有所提高,但塑性及韧性变化不大.Zr对于提升体系硬度的作用效果是最明显的.论文依据合金元素对γ-Fe-(B)电子结构的影响,探讨了 Ti、Nb、Zr及B原子对于提高材料淬透性的影响机制.     

Al_2Sr和Mg2sr相结构稳定性与弹性性能的第一原理计算

采用基于密度泛函理论的CASTEP和DMOL程序软件包,计算了Mg_(17)Al_(12),Al_2Sr和Mg_2Sr柏的结构稳定性、弹性性能和电子结构.合金形成热和结合能的计算结果显示,Al_2Sr具有最强的合金化形成能力和结构稳定性.Gibbs自由能的计算结果表明,随着温度的升高,Mg_(17)Al_(12),Al_2Sr和Mg_2Sr的结构稳定性发生了变化,在实际工作温度高于423 K以上时,Al_2Sr的结构稳定性最好,Sr合金化Mg-Al基合金形成Al_2Sr有利于提高镁合金的高温抗蠕变性能.体模量(B)、弹性各向异性系数(A)、Young's模量(E)、剪切模量(G)和Poisson比(v)的计算结果表明,Mg2Sr为延性相,而Mg_(17)Al_(12)和Al_2Sr为脆性相,Mg_2Sr的塑性最好.态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明,Al_2Sr结构最稳定的原因主要源于体系存在强烈的共价键作用,而Mg_(17)Al_(12)结构隐定性优于Mg_2Sr是体系中离子键与共价键共同作用的结果.     

Ca、Sr和Ba掺杂Mg_2Si弹性性能和电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理平面波赝势方法研究了合金元素X(X=Ca、Sr、Ba)掺杂Mg2Si的占位情况:(1)取代Mg原子位置;(2)取代Si原子位置;(3)间隙固溶到Mg2Si晶胞中。分析合金系Mg7Si4X,Mg8Si3X,Mg8Si4X的形成热和结合能可知,Mg7Si4X的形成热和结合能均为负值,且最小。表明Mg7Si4X更容易形成稳定化合物,具有较强的合金化能力,且Ca,Sr,Ba掺杂Mg2Si时有优先占据Mg原子的倾向。研究Mg7Si4X的弹性模量和电子结构发现:Mg7Si4Ca、Mg7Si4Sr为脆性相;Mg7Si4Ba为延性相,塑性最好;掺杂Ca,Sr,Ba使Mg2Si逐渐由脆性向韧性转变。Ca,Sr,Ba的掺入均使Mg2Si的电子态密度发生偏移,费米能级处的电荷密度增加,导电性增强,共价键作用减弱,合金系结构稳定性减弱。     

Al4Sr,Mg2Sr和Mg23Sr6相的电子结构与弹性性能的第一原理研究（英文）

采用第一性原理计算Al4Sr,Mg2Sr和Mg23Sr6相的电子结构与弹性性能。合金形成热与结合能的计算结果显示Al4Sr具有最强的合金化形成能力和最高的结构稳定性。通过计算弹性常数、体模量、剪切模量、弹性模量和泊松比,讨论了体系的韧性与塑性行为。结果表明,Al4Sr和Mg2Sr为延性相,Mg23Sr6为脆性相,在3种金属间化合物中,Mg2Sr的塑性最好。     

Mg-Al-Ca-Sn合金中二元相金属间化合物结构稳定性、电子结构、弹性性质和热力学性质的第一性原理计算（英文）

通过第一性原理计算方法研究Mg-Al-Ca-Sn合金中主要强化相Mg_(17)Al_(12)、Al_2Ca、Mg_2Sn和Mg_2Ca的结构稳定性、电子结构、弹性常数和热力学性质。计算所得晶格常数与实验值及文献值吻合。合金形成热和结合能计算结果表明,Al_2Ca具有最强的合金形成能力和结构稳定性。通过对这些化合物的态密度、Mulliken电子占据数、金属性和差分电荷密度计算分析其结构稳定性机制。通过计算Mg_(17)Al_(12)、Al_2Ca、Mg_2Sn和Mg_2Ca的弹性常数,推导出各相的体模量、剪切模量、弹性模量和泊松比。热力学性质计算结果表明,Al_2Ca和Mg_2Sn的Gibbs自由能低于Mg_(17)Al_(12),即Al_2Ca和Mg_2Sn的晶体结构稳定性优于Mg_(17)Al_(12)相。因此,通过添加Ca和Sn元素可以提高Mg-Al系合金的热力学稳定性。     

Lu2O3电子结构及物理性质的第一性原理研究

基于密度泛函第一性原理平面波赝势方法对Lu_2O_3六方、单斜和立方3种结构进行计算。结合能结果表明C型Ia3立方结构最稳定。立方Lu_2O_3的力学、热力学、电子结构以及光学性质计算揭示:Lu_2O_3有良好的韧性和弹性各向异性特征;热力学稳定性较好;Lu_2O_3为直接带隙,位于导带底的电子有效质量小,非局域程度高;价带顶到导带底跃迁主要源于Lu 4f和O 2p电子。Lu原子5d轨道和O原子2p轨道的强烈杂化形成Lu–O共价键;Lu_2O_3最大光反射率为0.36,在3~10 eV能量范围内其光吸收能力较强,近红外线和可见光范围内有优异透光性能,是良好光绝缘性材料。     

MgCu2,Mg2Ca和MgZn2 Laves相力学性质和电子结构的第一性原理计算

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对MgCu2,Mg2Ca和MgZn2的力学性能和电子结构进行计算,计算所得晶格参数与实验值和文献值相吻合。合金形成热和结合能的计算结果表明,MgCu2具有最强的合金形成能力和结构稳定性。计算了MgCu2,Mg2Ca和MgZn2的弹性常数,推导了体模量、剪切模量、弹性模量和泊松比。结果表明,MgCu2、Mg2Ca和MgZn2均为延性相,MgCu2的刚度最大,MgZn2的塑性最好。通过对结合能和弹性常数的计算,预测了MgCu2、Mg2Ca和MgZn2的熔点。通过对态密度（DOS）、Mulliken布居数、电子占据数和差分电荷密度的计算,分析了MgCu2、Mg2Ca和MgZn2的结构稳定性和力学性能机制。最后,计算和讨论了3种金属间化合物的Debye温度。     

Mg-Ce化合物相结构稳定性的赝势平面波方法研究

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Mg-Ce二元合金系中不同Ce原子浓度与结构类型金属间化合物的几何、能态与电子结构,并从合金形成热和结合能两方面调查了这些金属间化合物不同结构类型的相结构稳定性.结果表明：Mg3Ce,Mg2Ce,MgCe,MgCe2和MgCe3金属间化合物具有最强合金化形成能力和最高结构稳定性的结构类型分别为DO3,C15,Ba,C15和DO3.电子态密度（DOS）的分析结果表明：不同Ce含量Mg-Ce金属间化合物相结构稳定性的差异源于其费米能级处电子数的不同,高稳定性的相结构类型可归因于其费米能级处较少的Mg（3s）,Mg（2p）,Ce（5d）和Ce（4f）成键电子.     

Mg-Al-Ca合金中第二相价电子结构计算与强化机制分析

基于EET理论及其与程氏改进的TFD理论的结合,计算并分析了Al2Ca、Mg2Ca价电子结构及Al2Ca(111)//α-Mg(1121)、Mg2Ca(001)//α-Mg(0001)界面电子结构.Al2Ca最强键(nA=0.397 06)与Mg2Ca最强键(nA=0.302 45)的键合强度均远大于基体α-Mg(nA=0.111 99)的键合强度,极大地阻碍了位错运动和晶界滑移,提高了合金的强度;第二相Al2Ca和Mg2Ca的单位体积成键能力FV值分别为99.25和47.66,与γ-Mg17Al12(Fγ-Mg,17Al12V=44.22)相比较,Al2Ca的自身的稳定性更好,促进了合金高温性能的提高,Mg2Ca自身的稳定性较差,对合金高温性能的提高作用不大:第二相与基体形成的界面的电子密度差大于Mg17Al12与基体形成的界面γ-Mg17Al12(110)//αa-Mg(0001)电子密度差,界面强化效果更好,能有效地提高合金的工作温度:第二相与基体界面电子密度差较大,阻碍晶粒长大的效果较好,从而使基体的组织得以细化,并增加了γ-Mg17Al12的析出形核率,提高了合金的力学性能.     

Sn合金化MgZn_2相及Mg_2Sn相结构稳定性的第一原理研究

采用基于密度泛函理论CASTEP和DMol程序软件包,从合金形成热、结合能、热力学性能和电子结构等方面,研究Sn合金化MgZn2相及Mg2Sn相的结构稳定性,探讨Sn合金化改善ZA62镁合金抗蠕变性能的机理。结果表明:当Sn和Al分别置换ZA62镁合金中MgZn2相的Zn(Ⅰ)和Zn(II)原子时,仅Sn与Al置换的MgZn2相中Zn(Ⅰ)原子能形成稳定的MgZn2固溶体结构,而Sn在MgZn2相中的固溶量有限;与合金化形成的固溶体结构相比,其稳定性比未合金化时的弱,而析出的第二相金属间化合物Mg2Sn的结构比MgZn2的更稳定。而不同温度下热力学性能的计算结果表明:合金体系中形成了结构稳定性强的Mg2Sn,其结构稳定性在温度373～473K的范围内并不因温度的升高而消失,仍比MgZn2的高;由于ZA62镁合金体系中形成了高热稳定性的Mg2Sn相,Sn合金化有利于ZA62镁合金抗蠕变性能的提高。电子态密度和Mulliken电子占据数的分析结果表明:与MgZn2、Mg2AlZn3及Mg2SnZn3固溶体相比,热稳定性强的Mg2Sn相形成的主要原因在于Mg2Sn体系中存在强烈的离子键与共价键的共同作用。     

挤压态X20镁合金固溶处理过程中Al_2Ca的形成机理(英文)

对Ca含量为2wt%的挤压态X20镁合金在410 ℃固溶处理20 h,采用光学显微镜 (OM)、扫描电镜 (SEM) 结合能谱分析 (EDS)以及透射电镜 (TEM) 对固溶处理前后的组织进行了表征,利用XRD衍射仪考察了固溶处理前后合金的相组成。结果表明,经固溶处理后,合金初始组织中β-Mg17Al12相的数量明显减少,同时析出新相Al2Ca。Al2Ca的形成可归结于残余β-Mg17Al12中高的Ca原子所造成的Mg原子被Ca原子取代,同时Al2Ca相自身高的结构稳定性也是其在Mg-Ca和Al-Ca系竞争析出中胜出的原因。     

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.     

Formation of Al2Ca Phase in as-Extruded X20 Magnesium Alloy by Solution Treatment

对Ca含量为2wt%的挤压态X20镁合金在410 ℃固溶处理20 h,采用光学显微镜 (OM)、扫描电镜 (SEM) 结合能谱分析 (EDS)以及透射电镜 (TEM) 对固溶处理前后的组织进行了表征,利用XRD衍射仪考察了固溶处理前后合金的相组成。结果表明,经固溶处理后,合金初始组织中β-Mg17Al12相的数量明显减少,同时析出新相Al2Ca。Al2Ca的形成可归结于残余β-Mg17Al12中高的Ca原子所造成的Mg原子被Ca原子取代,同时Al2Ca相自身高的结构稳定性也是其在Mg-Ca和Al-Ca系竞争析出中胜出的原因。