基于截斷位錯解的鋁—稀土金屬間化合物位錯性質的研究.pdf

1、鋁稀土合金具有密度小、高強度、耐高溫、耐腐蝕和優(yōu)良的延展性等特點，在航空航天、汽車行業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。鋁稀土金屬間化合物AlRE(RE為稀土元素)存在CsCl型B2結構的穩(wěn)定相。相對于傳統(tǒng)的鋁合金，B2型鋁稀土金屬間化合物不但結構簡單，還表現出良好的延展性。位錯通常被認為是確定晶體材料的延展性的關鍵因素。目前，鋁稀土金屬間化合物AlRE中位錯性質的研究仍然有待深入。本文從普遍的位錯方程出發(fā)，首先找出可以描述B2-AlRE金屬間

2、化合物中復雜位錯的近似解，然后研究了位錯芯結構以及Peierls應力等性質，分析了支配位錯芯結構和Peierls應力的關鍵因素，討論了金屬間化合物AlRE的延展性。本文的主要研究內容如下：
　?。?）確定含有復雜位錯芯結構的截斷位錯解
　　本文首先引入以伯格斯矢量為軸的內稟標架，并給出了新標架下的位錯方程。研究了高階截斷近似下位錯方程的近似解。研究發(fā)現：對于具有簡單芯結構的位錯，將位錯的試探解（可在適當的時候截斷，稱其為截斷

3、位錯解）截斷到最低階都可以很好地描述其性質；而對于比較復雜的分解位錯，必須考慮其高階項。但是不管位錯有多復雜，只要將試探解多保留幾項同樣可以很好地描述其性質。將所得的截斷位錯解代入位錯方程，并用方程兩邊畫圖對比的方法直觀地展示了解的正確性（不作任何近似）。通過應用本文的方法求解B2-YCu的<111>{110}結構復雜的超位錯，并將所得的結果與變分法的結果進行對比，證明了它的有效性以及簡潔性。因為位錯芯沒有預先設置，該方法提供了一種系統(tǒng)

4、且可靠的解決位錯芯結構的方案，可以用來預測新的位錯芯結構。
　　（2）B2-AlRE的廣義層錯能及位錯芯結構
　　用第一性原理計算了 B2-AlRE(RE=Pr、Dy、Y、Sc)的晶格常數和{110}密排面的廣義層錯能面。同時也計算了YCu的廣義層錯能，與他人計算的結果進行比較，證明了計算的合理性。分析計算結果發(fā)現：{110}滑移面的<100>、<110>和<111>方向上的不穩(wěn)定層錯能 usg存在 AlPr

5、Y方向上，反向邊界能g卻有相反的現象，也就是說 AlSc的g g值最大，可以預APB us APB測AlSc的<111>{110}位錯是最容易分解的。將計算得到的廣義層錯能曲線，代入到本文介紹的位錯方程，求解方程得到了相應的位錯芯參數（C1、C2、C3、C4的值依次減?。┖鸵幌盗械哪軌蛎枋霾牧衔诲e性質的物理量。綜合分析幾種材料的計算結果，存在這樣的規(guī)律：{110}滑移面的伯格斯矢量為<100>和<110

6、>方向的位錯，usg大的對應的位錯芯寬度也大，并且有刃位錯的位錯芯寬度最大，螺位錯的最小，混合位錯則隨著位錯角（伯格斯矢量與位錯線之間的夾角）的增大而增大的結果，此結果符合位錯的一般規(guī)律；<111>方向上的超位錯分解為兩個部分位錯，中間夾著一個反向邊界，描述它們位錯密度性質的形狀因子 S的值隨著位錯角的增大依次減小，表明隨著位錯角的增大部分位錯越寬；B2-AlRE(RE=Pr、Y、Dy、Sc)的<111>{110}刃位錯的分解寬度分別為

7、1.67b、1.8b、1.97b、2.58b，螺位錯的分解寬度分別為1.14b、1.26b、1.38b、1.96b。課題組吳小志等人用變分法計算YAg和YCu的<111>{110}刃位錯分解寬度分別為1.58b和1.28b，螺位錯的分解寬度分別為0.95b和0.79b。YAg和YCu的<111>{110}超位錯的分解寬度比本文研究的幾種材料要窄，因為它們的g g值（YAg=1.12，YCu=1.02）比us APB AlRE(RE=Y、

8、Dy、Sc)的相對要小?？梢?，g g的值對超位錯的分解寬度影響us APB很大，不穩(wěn)定層錯能和反向邊界能是影響材料位錯芯結構的重要因素。
　?。?）基于截斷位錯解的B2-AlRE中位錯Peierls能量和Peierls應力
　　首先推導出了B2結構材料的{110}密排面上滑移方向為<100>、<110>和<111>方向的彈性應變能和失配能的具體表達式。將截斷近似法得到的位錯解，代入相應的表達式計算出了B2結構的AlRE(RE

9、=Pr、Dy、Y、Sc)的滑移系為<100>{110}、<110>{110}和<111>{110}的不同位錯角的失配能、彈性應變能、總能量以及由它們決定的應力。得到的結果為：除了AlPr滑移系為<111>{110}的位錯角為54.7o（失配能比彈性應變能大，而且兩者同相位）位錯以外，對于同一位錯，失配能總比彈性應變能要小，有的甚至要小1-2個數量級，而且它們的相位總是相反；在相同的位錯角的情況下，滑移系為<100>{110}的刃位錯比<

10、110>{110}刃位錯的能量和應力都要大，說明滑移系<100>{110}比<110>{110}難開動?；葡禐?111>{110}的位錯，它們的失配能、彈性應變能、總能量以及由它們確定的相應的應力存在054.735.390>>>o o o o的關系，位錯角為54.7o位錯的能量和應力都要比35.3o的要大，出現反?，F象，仔細觀察可以發(fā)現，此位錯角是由兩條密排線組成的夾角，由于密排線上存在兩種不同的原子造成了此現象。B2-AlRE(RE

11、=Pr、Dy、Y、Sc)<111>{110}刃型超位錯的Peierls應力，在-0.8110′54.8710m-′-4m的范圍內，螺位錯的Peierls應力在1.1210′-30.0147m-m范圍內。課題組吳小志等人用變分法計算的YAg和YCu<111>{110}刃位錯Peierls應力分別為1.2810 m-′和33.1310 m-′，3螺位錯 Peierls應力分別為6.9810m-′和39.4210 m-′。Medvedeva等

12、人計算的3 B2-FeAl的<111>{110}刃位錯 Peierls應力為5.810 m-′。證明 B2-AlRE(RE=Pr、3 Dy、Y、Sc)的<111>{110}刃位錯的滑移比 FeAl、YAg和 YCu容易，可以預測它們的延展性比FeAl、YAg和YCu要好。對于同一種材料，其刃位錯的Peierls應力的大小依次為<100>{110}、<110>{110}和<111>{110}，也就是說含有刃位錯的滑移系的滑移順序是<111