宏观形变下α-铁基二元合金的第一性原理研究

• 作 者: 刘伟
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 固溶强化 宏观形变 第一性原理 二元合金 力学性能 晶格畸变

钢铁合金材料是人类社会使用最广泛的金属材料之一，是人类文明极为重要的物质基础之一。铁素体、马氏体钢是钢铁合金材料中重要的一类，经常用于巨大负荷以及特殊服役环境(如高温、辐照)之中。铁素体、马氏体钢在服役过程中会发生微弱的形变，在那些承受巨大负荷、处于高温以及辐照环境的应用中，其内部某些晶粒的形变可能会比较严重。研究宏观形变对α-铁中合金元素稳定性的影响有助于了解宏观形变条件下合金元素的迁移和扩散规律，对了解铁素体、马氏体钢在服役过程中使用性能老化机制以及研发具有更优异性能的α-铁基合金钢材料具有重要意义。本文基于第一性原理方法研究宏观形变对α-铁中十二种合金元素稳定性的影响。另外，还研究合金元素对α-铁力学性能的影响。　　
通过研究在流体静压应变、正应变以及切应变三种应变模式下α-铁中合金元素的替代能变化行为，发现宏观形变对α-铁中所有合金元素替代能的影响可以用一个简洁的线性关系式描述，即Esub∣V=-fssB(V/V0-1)Vf+Esub∣V0；就是说合金元素的替代能Esub是体系体积V的线性函数，斜率是平衡态时替代位合金原子的形成体积Vf和体系外形畸变因fss的乘积。此关系式反映了α-铁中合金元素在发生较小宏观形变时合金原子稳定性的变化规律，另外，此关系式还适用于描述宏观形变下其它晶体中杂原子的稳定性。研究发现，在相同的单轴拉伸应变下，除了Al、Co和Mo之外的九种合金元素，其稳定性满足如下规律：Pauling电负性大的合金元素在α-铁中的替代能相对于在平衡态的增量更大，即更不稳定。　　
通过对纯α-铁以及α-铁基二元合金体系的弹性性质计算，发现合金原子与其最近邻Fe原子之间电荷密度的变化和其对α-铁体弹模量B和切变模量G的影响有正相关性。大致规律是，合金原子与其最近邻Fe原子之间电荷密度的增加/减小，会导致合金体系的弹性模量B和G相对于纯α-铁的数值增大/减小。另外，研究发现在α-铁中合金元素导致的局域晶格畸变程度和其固溶强化效应存在正相关性。