有限溫度下材料的廣義層錯(cuò)能、孿生及位錯(cuò)：基于第一性原理和準(zhǔn)諧近似方法.pdf

1、位錯(cuò)和孿生是材料塑性變形的兩大重要機(jī)制。廣義層錯(cuò)能對(duì)于描述位錯(cuò)性質(zhì)和孿生變形起著十分重要的作用，但是廣義層錯(cuò)能僅能通過(guò)實(shí)驗(yàn)粗略估計(jì)，只能通過(guò)理論計(jì)算獲取。第一性原理方法是計(jì)算廣義層錯(cuò)能有效且準(zhǔn)確的方法。近年來(lái)，通過(guò)第一性原理計(jì)算得到了大量材料的廣義層錯(cuò)能，結(jié)合理論分析加深了人們對(duì)位錯(cuò)性質(zhì)和孿生能力的認(rèn)識(shí)和理解。廣義層錯(cuò)能主要包括穩(wěn)定層錯(cuò)能、不穩(wěn)定層錯(cuò)能和不穩(wěn)定孿晶層錯(cuò)能等重要表征材料塑性變形的特征量。最初，穩(wěn)定層錯(cuò)能被用來(lái)估計(jì)FCC金屬

2、的孿生能力，穩(wěn)定層錯(cuò)能越小，材料越容易產(chǎn)生孿晶。但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Al不產(chǎn)生孿晶，Ir會(huì)產(chǎn)生孿晶，而Al的穩(wěn)定層錯(cuò)能比Ir的小。為了解決這一矛盾，Tadmor和Bernstein提出了新的孿生能力判據(jù)，該判據(jù)不僅將穩(wěn)定層錯(cuò)能的貢獻(xiàn)包含在內(nèi)，也考慮了不穩(wěn)定層錯(cuò)能和不穩(wěn)定孿晶層錯(cuò)能的貢獻(xiàn)，能夠很好地預(yù)測(cè)0 K下FCC金屬的孿生能力。但目前仍缺乏對(duì)材料在不同溫度下孿生能力的理論預(yù)測(cè)，使得很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有獲得很好的理解。比如，近年來(lái)實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到Cu在

3、室溫下僅存在少量的孿晶，而在液氮溫度環(huán)境下卻產(chǎn)生大量的孿晶。為了更好地理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)材料在0K下孿生能力的預(yù)測(cè)有必要推廣至有限溫度。此外，目前對(duì)于位錯(cuò)芯結(jié)構(gòu)的確定主要局限于0 K，本文還將研究有限溫度下位錯(cuò)的芯結(jié)構(gòu)來(lái)提高溫度效應(yīng)對(duì)材料性質(zhì)影響的認(rèn)識(shí)。通常，材料在不同環(huán)境下的服役溫度是不同的。因此，研究材料在不同溫度下的力學(xué)性能具有重要的實(shí)際意義，可以為高性能材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供重要的參考和指導(dǎo)。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?、偈紫?/p>

4、通過(guò)第一性原理研究了0 K下密排金屬M(fèi)g中距離滑移面不同位置的原子被C、B、N、O和空位分別替代后的廣義層錯(cuò)能。發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)替位原子或空位位于滑移面時(shí)，Mg的廣義層錯(cuò)能才明顯改變；而遠(yuǎn)離滑移面時(shí)，對(duì)廣義層錯(cuò)能幾乎沒(méi)有影響。隨后，采用第一性原理結(jié)合準(zhǔn)諧近似方法研究了溫度以及不同溫度下稀土元素Er、Ho、Dy、Tb、Gd位于滑移面時(shí)對(duì)Mg廣義層錯(cuò)能和孿生能力的影響。結(jié)果表明，Mg的孿生能力隨溫度升高而降低，其原因在于不穩(wěn)定層錯(cuò)能比不穩(wěn)定孿晶層

5、錯(cuò)能隨溫度下降的幅度要大。此外，稀土元素能夠提高M(jìn)g的孿生能力。
　?、谘芯苛瞬煌瑴囟认翧l、Ni和Cu沿著1/6<112>{111}方向的廣義層錯(cuò)能曲線。在此基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)了Al、Ni和Cu在裂紋尖端、晶界和固有的孿生能力。Ni和Cu具有固有孿生能力，而Al沒(méi)有固有孿生能力，只能在裂紋尖端和晶界產(chǎn)生孿晶。FCC金屬的各種孿生能力均隨著溫度的升高而減小。不同溫度下，Cu的孿生能力最強(qiáng)，而 Al的最弱，這主要是因?yàn)?Al的不穩(wěn)定層錯(cuò)能

6、和不穩(wěn)定孿晶層錯(cuò)能略高于 Cu，但是它的穩(wěn)定層錯(cuò)能卻是 Cu的三倍。此外，還研究了不同溫度下稀土元素Sc、Y、Dy、Tb和Nd對(duì)Al裂紋尖端孿生能力的影響，發(fā)現(xiàn)稀土元素能夠提高Al在裂紋尖端的孿生能力。
　?、?/2<110>{110}是NaCl結(jié)構(gòu)MgO和CaO的主要滑移系統(tǒng)。首先計(jì)算了0 K、500 K和1000 K三個(gè)不同溫度下MgO和CaO的彈性常數(shù)和廣義層錯(cuò)能。計(jì)算得到的彈性常數(shù)隨溫度的變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。在此基礎(chǔ)上，結(jié)

7、合包含離散效應(yīng)改進(jìn)的Peierls-Nabarro(P-N)理論，采用Foreman方法求解位錯(cuò)方程給出了不同溫度下1/2<110>{110}刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)和混合位錯(cuò)的芯結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)芯寬度隨著溫度的升高而變寬。
　?、苎芯苛?-1200 K范圍內(nèi)B2結(jié)構(gòu)NiAl和FeAl的彈性常數(shù)、廣義層錯(cuò)能和表面能。結(jié)果表明，僅NiAl的表面能隨溫度升高而增大，其它結(jié)果均隨溫度升高而減小。通過(guò)Pugh比、Cauchy壓強(qiáng)和Rice判據(jù)討論了NiA

8、l和FeAl的脆塑性。NiAl和FeAl的塑性隨著溫度的升高均增大。在0-1200 K溫度范圍內(nèi)，通過(guò)Pugh比和Cauchy壓強(qiáng)得到NiAl比FeAl的塑性要好，而通過(guò)Rice判據(jù)卻得到NiAl比FeAl的塑性差。這矛盾可能是由于Rice判據(jù)只能粗略估計(jì)材料的脆塑性。最后，基于離散效應(yīng)改進(jìn)的 P-N理論，還研究了<111>{110}超位錯(cuò)的芯結(jié)構(gòu)。在不同溫度下，NiAl超位錯(cuò)的芯寬度始終大于FeAl超位錯(cuò)的，這也表明NiAl的塑性比F

9、eAl略好。
　?、菅芯苛薒l2結(jié)構(gòu)Ni3Al在0-900 K范圍內(nèi)的彈性常數(shù)和廣義層錯(cuò)能。計(jì)算得到的反向邊界能、復(fù)雜層錯(cuò)能、超點(diǎn)陣內(nèi)稟層錯(cuò)能和不穩(wěn)定孿晶層錯(cuò)能均隨著溫度的升高而減小。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)Yoo等人提出的屈服應(yīng)力異常判據(jù)p研究溫度對(duì)Ni3Al屈服應(yīng)力異常的影響。結(jié)果表明，在0-900 K范圍內(nèi)p均大于3，并且隨著溫度的升高而明顯增大。這說(shuō)明Ni3Al金屬間化合物屈服應(yīng)力隨溫度升高而逐漸增大，與Kruml等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相