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

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

2、的孿生能力，穩(wěn)定層錯能越小，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會產(chǎn)生孿晶，而Al的穩(wěn)定層錯能比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)定層錯能的貢獻(xiàn)包含在內(nèi)，也考慮了不穩(wěn)定層錯能和不穩(wěn)定孿晶層錯能的貢獻(xiàn)，能夠很好地預(yù)測0 K下FCC金屬的孿生能力。但目前仍缺乏對材料在不同溫度下孿生能力的理論預(yù)測，使得很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有獲得很好的理解。比如，近年來實(shí)驗(yàn)上觀測到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，對材料在0K下孿生能力的預(yù)測有必要推廣至有限溫度。此外，目前對于位錯芯結(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的芯結(jié)構(gòu)來提高溫度效應(yīng)對材料性質(zhì)影響的認(rèn)識。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)計和開發(fā)提供重要的參考和指導(dǎo)。本文主要研究內(nèi)容如下：
　?、偈紫?/p>

4、通過第一性原理研究了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能。發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)替位原子或空位位于滑移面時，Mg的廣義層錯能才明顯改變；而遠(yuǎn)離滑移面時，對廣義層錯能幾乎沒有影響。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位于滑移面時對Mg廣義層錯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)定層錯能比不穩(wěn)定孿晶層

5、錯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。
　　②研究了不同溫度下Al、Ni和Cu沿著1/6<112>{111}方向的廣義層錯能曲線。在此基礎(chǔ)上，預(yù)測了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)定層錯能

6、和不穩(wěn)定孿晶層錯能略高于 Cu，但是它的穩(wěn)定層錯能卻是 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)。首先計算了0 K、500 K和1000 K三個不同溫度下MgO和CaO的彈性常數(shù)和廣義層錯能。計算得到的彈性常數(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方法求解位錯方程給出了不同溫度下1/2<110>{110}刃位錯、螺位錯和混合位錯的芯結(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Pugh比和Cauchy壓強(qiáng)得到NiAl比FeAl的塑性要好，而通過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}超位錯的芯結(jié)構(gòu)。在不同溫度下，NiAl超位錯的芯寬度始終大于FeAl超位錯的，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)和廣義層錯能。計算得到的反向邊界能、復(fù)雜層錯能、超點(diǎn)陣內(nèi)稟層錯能和不穩(wěn)定孿晶層錯能均隨著溫度的升高而減小。在此基礎(chǔ)上，通過Yoo等人提出的屈服應(yīng)力異常判據(jù)p研究溫度對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