价电子结构参数的统计值在钛合金相变温度及共析转变研究中的应用

基于“固体与分子经验电子理论”（EET）,计算了一组表征合金相性质的价电子结构参数的统计值SnA,SEA,并利用价电子结构参数的统计值讨论了合金元素V,Nb,Mo,Hf,Zr,Fe,Mn,Co,Cr,Si等合金元素对钛合金相变温度及共析转变的影响,研究结果与实际符合很好.     

Fe-Mn-Si 形状记忆合金fcc(γ)→hcp(ε)马氏体相变的临界驱动力

应用周国治提出的新溶液模型计算所得的Fe Mn Si中γ和ε相的Gibbs自由能 ,并考虑了Si的影响 ,重新导出了γ和ε相随温度变化的热力学参量 .用最小均方根方法将实验值拟合得到合金γ相的Neel温度与组分浓度 (摩尔分数 )的关系式 :TγN=6 7xFe 5 40xMn xFexMn[76 1 6 89(xFe-xMn) ]- 85 0xSi.计算得到不同组分Fe Mn Si合金马氏体相变的临界驱动力ΔGγ→εc ,即合金在Ms 温度γ和ε相的自由能差 ,例如 ,Fe 2 7.0Mn 6 .0Si合金的ΔGγ→εc =- 1 0 0 .99J/mol,Fe 2 6 .9Mn 3.37Si的ΔGγ→εc =- 1 2 2 .1 1J/mol.ΔGγ→εc 与组分的依赖关系符合低层错能合金中fcc(γ)→hcp(ε)马氏体相变的临界驱动力表达式 ,即ΔGγ→εC =A·γ B ,其中γ是层错能 (SFE) ,A和B为与材料相关的常数 .     

Ni2MnGa铁磁形状记忆材料

铁磁形状记忆合金 (FSMA)是在一定温度范围马氏体相稳定同时又具铁磁性的一类特殊的形状记忆合金。Ni2MnGa铁磁形状记忆合金近年来成为呈现磁场驱动大应变的新型驱动材料 ,这些应变来自磁场诱发马氏体孪晶的重排 ,而不是磁场对奥氏体至马氏体相变的作用。孪晶变体的重排在宏观上呈现为正或切应变 ,一非化学计量比Ni2 MnGa单晶于室温加 0 .4T磁场能产生6 %的应变 ,Ni Mn Ga单晶在高至 15 0Hz的交变磁场仍可得到 2 .5 %的应变。本文阐述了与这种磁控形状记忆效应相关的孪晶界迁动的磁学和晶体学理论。马氏体相的大磁晶各向异性能使磁化沿c轴方向有利 ,穿过孪晶界c轴刚好转动 90度 ,同时 ,这个孪晶界也构成了约 90度的畴界。在各向异性的情况下 ,孪晶界的迁动仅有相邻孪晶变体的Zeeman能差驱动 ,μ0 ΔMis·Hi。磁场和外应力对应变的影响通过对一简单的自由能表达式取极小值来表示 ,自由能表达式包括Zeeman能、磁晶各向异性能和外应力以及在某些情况下需考虑的内部弹性能 ,模型的所有参数可通过应力 应变曲线和磁化曲线测量得到。铁磁形状记忆合金的磁场诱发应变可类比传统热弹性形状记忆效应 ,与更为人们所熟知的磁致伸缩现象不同。     

应力对铁磁性形状记忆合金Ni50Mn19Fe6Ga25马氏体相变的影响

X射线衍射结果表明, Ni50Mn19Fe6Ga25合金甩带样品在室温是L2₁结构, 并且存在[100]织构. [100]轴垂直于试样表面, 而[110]轴与带向成45度角, 并且在带向与带的法线方向确定的平面内. 应力测试表明沿带向存在拉应力, 对应择尤取向的晶粒拉应力的方向就是沿[010]方向. 原位X射线衍射变温分析表明, 未退火的样品降温时没有发生明显的马氏体转变, 而经900 K, 24 h去应力退火后的样品, 再降温时发生明显的由立方到四方的结构转变. 这表明沿[010]方向的拉应力阻止了马氏体转变.     

铁基合金fcc(γ) → hcp(ε)马氏体相变的形核能垒

基于位错理论和Olson等人提出的层错能模型, 考虑到外加应力场的作用, 建立了fcc(g )→hcp(e )马氏体相变在小角度晶界处形核时, 胚核尺寸与能量之间的关系模型. 用此应用模型讨论了温度、切应力以及晶界位错密度对FeMnSi基合金中fcc(γ) → hcp(ε)马氏体相变形核的影响. 结果表明, fcc(γ) → hcp(ε)相变形核过程中存在着一些特征尺寸的胚核: 亚临界胚核和临界胚核, 它们之间的能量差构成了马氏体相变的能垒. 这些特征胚核的尺寸将随着外部条件(应力和温度)的改变而变化, 随着温度降低, 切应力增加将使临界胚核尺寸变小, 直至最终能垒消失. 基于上述讨论, 从动力学的角度讨论了M_S点及临界切应力τ_c诱发fcc(γ) → hcp(ε)相变的能量条件, 解释了在MS点处合金的层错能不为零的实验结果. 另外, 小角度晶界处位错密度的增加, 也有利于hcp相形核.     

相平衡热力学方法在超细碳化物高碳合金钢合金设计中的应用

多元合金高碳钢成分设计合适时,钢中存在多类型碳化物(M3C、M23C6、M7C3、M6C和MC)在常规的锻轧加工和退火工艺条件下,碳化物具有超细化特征.根据Cr-W-Mo-V高碳合全钢的碳化物在退火温度下的变化规律,应用Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-C系相平衡热力学计算,给出各温度下的钢中相结构、相成分和相变规律;并根据不同奥氏体化温度下的基体成分,推导合适的热处理工艺,并预测淬火硬度和回火硬度;借助在电子、原子层次上计算马氏体基体的原子间平均结合能,推断屈服强度和韧性指标.按照技术指标对机械性能的要求,对合金元素不同含量的钢的全部计算结果进行比较,最终确定钢的合适的化学成分.用上述方法研制了系列多类型超细碳化物中合金高碳钢和高合金高碳钢,实践结果表明,理论设计计算与少量的生产性实验结合可以达到预期的目的.     

固相合金中的C-Me偏聚理论在陶瓷中的应用

氧化锆陶瓷由于性能优异, 已得到了广泛的应用. 氧化锆陶瓷的相变影响其性能, 为控制相变进而控制性能, 相变机理的研究至关重要. 用固体与分子经验电子理论计算了c-ZrO₂、t-ZrO₂和m-ZrO₂的价电子结构, 得到形成它们强键骨架的共价键上的总共价电子对数分别为3.19184、3.45528和3.79625. 按固相合金中的C-Me偏聚理论的思想推测ZrO₂从高温到低温的相变顺序应为液相→c相→t相→m相. 从价电子结构进行的推断与实验结果完全一致, 说明合金相变的电子理论可以扩展到陶瓷材料中.     

含Re镍基单晶高温合金高温低应力蠕变初期γ/γ′界面结构研究

为了深入理解含Re镍基单晶高温合金高温低应力蠕变初期的蠕变行为和强化机制,本文利用电子显微学和能谱学等方法,从介观至原子尺度研究了DD6单晶高温合金在1100℃/140 MPa蠕变15 min后的界面位错组态、界面位错核心结构以及界面位错附近的合金元素分布情况.结果表明蠕变初期合金中的位错密度较低,只在局部形成位错网络,因此蠕变初期γ此蠕变界面形成的V形和台阶状凸起结构数量明显低于稳态蠕变初期(12h)时的,而且台阶状凸起结构(对应a/210160°混合型位错)明显多于V形凸起结构(对应a/2110刃型位错,由位错反应形成).蠕变初期形成的特殊形状的台阶状凸起结构是由于界面位错沿γ/γ′界面运动形成的,而Re等合金元素的共偏聚进一步验证了Re元素偏聚同界面位错的交互作用.     

电脉冲作用下Al-22％Si合金的价电子理论研究

基于固体与分子经验电子理论（EET）,计算了Al—22％Si合金熔体相价电子结构参数,研究了铝硅合金熔体基元键络对温度（能量）变化的敏感性及其对组织形态的影响．结果表明,低过热铝硅合金熔体中n4值较大的Si-Si团簇为过共晶铝硅合金初生硅形核提供了核心,对其周围的Al—Si团簇产生强烈的“类拖曳”效应;熔体温度的变化较明显地影响了该核心键络的稳定性,从而影响了组织形态;脉冲电场作用于合金熔体后,不可恢复地改变了Si-Si团簇键络稳定性,从而对合金凝固组织形态起到变质作用,施加电脉冲的能量越高,Si—Si团簇越不稳定,电脉冲孕育效果越显著．     

β'-CuZn有序合金逆向孪生的晶体学机制

以β'-CuZn相为例分析了轧制应力作用下B2结构金属发生机械孪生的基本过程,并从力学和晶体结构的稳定性两个方面论证了B2结构金属的逆向机械孪生行为. 结果表明, 逆向孪生能保持B2结构不变, 且在多晶轧制变形条件下的应变阻力最小.     

反应合成Ag(111)/SnO2(200)复合材料界面结构的DFT研究

根据 HTEM 原位观察的 Ag/SnO₂ 电接触材料的两相界面结构, 建立了 Ag(111)/ SnO₂(200)界面结构模型. 原子驰豫位移的计算结果显示, 驰豫引起界面原子严重错排, 破坏了点阵周期性排列. 界面区的O与Ag原子为达到稳定结构而彼此有靠近的趋势, 界面的结构驰豫是材料系统降低能量的一种方式. 界面附近态密度表明界面对材料的导电性有很大影响, 界面 O 原子的存在引起了材料导电性下降. 界面区域电子云和布居分析表明, 在Ag/SnO₂界面结构中未形成 AgxOy 化合物, 且界面会导致电荷分布不均匀, 在整个材料系统内形成微电场, 影响电子传输和材料的导电性. 计算显示 Ag(111)/SnO₂(200)界面结合较强, 界面结合能约为−3.50 J/m².     

Ag-Cu合金的电子结构

依据特征晶体的能量、晶格常数和电子结构的相关性和OA理论的约束条件 ,确定了Ag Cu系Gibbs能函数、原子体积函数和特征晶体的电子结构 .随后 ,任意成分的无序合金和任意有序度的有序合金的电子结构和性质均可计算求得 .     

氧化锆基阻变存储器中金掺杂效应的第一性原理研究

氧空位在过渡金属氧化物阻变存储器的电阻转变中有重要作用.采用第一性原理计算方法,研究Au掺杂前后阻变层材料ZrO_2的能带结构、态密度、氧空位的形成能和迁移势垒能来分析氧化锆基阻变存储器中的Au掺杂效应.研究发现,Au掺杂后ZrO_2费米能级处出现了局域化杂质带且禁带宽度减小,由此提升了ZrO_2的导电能力;Au掺杂后氧空位形成能及迁移势垒能显著降低,从而有利于氧空位的形成和迁移,进而降低ZrO_2基阻变存储器的形成(forming)电压与置位(set)电压.我们利用电子局域函数模拟ZrO_2超晶胞[001]方向包含掺杂元素Au的氧空位列,结果表明局域在杂质周围的氧空位在[001]方向形成有序导电通道.     

Co原子浓度对Co-Mn-Si薄膜各向异性磁电阻及半金属性的影响

向原子比为2:1:1的Co-Mn-Si合金薄膜中掺杂Co原子,试图发现Co-Mn-Si合金薄膜半金属性的变化规律.通过制备系列不同成分Co-Mn-Si合金薄膜,并测试薄膜的各向异性磁电阻比.结果发现制备的Co50Mn Si薄膜具有良好的B2结构,杂质及缺陷数量少(剩余电阻比大),各向异性磁电阻比为负值,从而具有良好的半金属属性.随着Co原子浓度的增加,Co-Mn-Si薄膜B2结构取向度降低,剩余电阻比减小,各向异性磁电阻比增大,其半金属属性随Co原子浓度的增加被逐渐破坏.     

硅基GaN蓝光LED外延材料转移前后性能

利用外延片焊接技术, 把Si(111)衬底上生长的GaN 蓝光LED外延材料压焊到新的Si衬底上. 在去除原Si衬底和外延材料中缓冲层后, 制备了垂直结构GaN 蓝光LED. 与外延材料未转移的同侧结构相比, 转移后的垂直结构GaN 蓝光LED的电学性能、发光性能和结构性能明显改善, 光输出功率显著提高. 垂直结构LED的GaN层受到的张应力比同侧结构LED小.     

稀贵金属合金系相结构与相关系在热力学计算的研究动态

本文介绍了合金中相的类型与作用,及稀贵金属相结构的研究现状与发展趋势,从研究内容和计算方法方面对存在的问题进行了阐述.提出:(1)贵金属合金相结构的电子、原子层次的结构特征以及相结构的稳定性和形成机制与控制因素;(2)稀贵金属合金相的晶格动力学,热力学性能,热学性能,力学性能及其作为增强相对基体材料性能的影响与其电子、原子结构的关联等研究重点领域及采用的解决方法,并对发展前景进行了展望.     

Au-Cu系的合金相特征原子排列晶体学

本文指出合金相结构的描述取决于所采用的结构单元序列．在系统合金科学（SSA）的合金相特征原子排列晶体学中,合金相的结构是采用对称要素序列和特征原子序列相结合的方式来描述,称之为合金相的特征原子排列结构．它除了能显示结构的对称性之外,还可以给出格点上的特征原子种类以及合金相微观不均匀性．每个特征原子都有其自身的特性：近邻原子组态,势能,体积和电子结构等．合金相的微观不均匀性可以通过特征原子的浓度分布和短程有序参数分布来描述．同时本文对合金相的电子结构和合金相中特征原子的电子结构之间的差异也作了讨论．     

各向异性开孔弹性泡沫的压缩大变形分析与模拟

通过将规则Kelvin模型沿某一方向伸长,而保持与其垂直方向的原有尺寸不变,得到了结构各向异性的胞体模型;然后,利用其在整个空间具有的周期性和对称性得到了简化后的周期性结构单元,并类似于已有文献中的做法,采用半支柱求解单元和弹性挠曲理论来分析其力学行为,获得了沿胞体伸长以及垂直于胞体伸长两个不同方向上的应力、应变的理论表达式和相应的压缩应力-应变曲线;并且,利用有限元模拟方法对上述理论预测结果进行了验证.结果表明:在应变不太大时,理论预测与有限元数值模拟结果非常接近,证明了理论分析的有效性;各向异性比对泡沫材料的力学性能影响显著,随着各向异性比的增加,在相同应变下,压缩应力在胞体伸长方向得到提高,而在垂直于胞体伸长方向则表现为下降.     

微轧制下高碳马氏体钢的超延展性与尺度效应

高碳淬火钢难以在室温下发生塑性变形,人们曾将此现象归因于成分(碳含量过高)和组织(马氏体塑性差),未考虑几何尺寸的影响.为此,本研究在室温下对厚度为400?m的9Si Cr淬火马氏体钢进行微轧制实验,发现微轧制下实验钢的塑性良好,延展率达200%以上,且硬度比淬火态提高了39%.本文对此新发现进行了研究.首先,负辊缝轧制使横向压应力增大,同时由于单位体积的接触表面积变大,而引起纵向压应力和垂直方向压应力同时增大,因而静水压力增加.这些因素有利于抑制轧件边裂、头部劈裂以及轧件内部缺陷生成和扩展,致使塑性改善.这一现象可以用传统理论进行解释,属于第一类尺度效应.其次,由于位错和孔洞一旦到达试样表面就会释放和消失,所以轧件的比表面积越大对提高塑性越有利.因此,比表面积充分大的薄轧件已不能视为均匀连续、各向同性的理想材料,其表面效应属于第二类尺度效应.实验结果表明:长期以来认为高碳马氏体组织塑性差的认识在薄轧件轧制中受到挑战,需要同时考虑两种尺度效应,才能深入认识其力学表现和物理本质.     

Aln (n = 3, 4, 6, 13, 19)团簇的结构稳定性与形态演化

采用第一原理赝势平面波方法, 计算了不同结构形态Al_n (n = 3, 4, 6, 13, 19)团簇的几何与电子结构, 通过结合能与HOMO-LUMO能隙表征和分析了其结构稳定性, 采用线性同步转变 (LST)方法考察了其不同结构形态间的演化与转 变. 结果表明: Al₃, Al₄, Al₆, Al₁₃和Al₁₉团簇的稳定结构形态分别为三角形、 菱形、八面体、二十面体、双二十面体. Al₃, Al₄与Al₁₃团簇不存在亚稳结构. Al6与Al19团簇存在亚稳结构, 其结构形态分别为平行四边形与八面体. Al₆团簇亚稳结构与稳定结构的能级差大、转变能垒低, 结构转变容易, 亚稳结构稳定性差. 而Al₁₉团簇亚稳结构与稳定结构的能级差小、转变能垒高, 结构演化不易, 因而实验和理论模拟中能观察到其亚稳结构形态——正八面体的存在.