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第一性原理的分析压力对Ni3X(X%3dPt%2c+Mo%2c+V%2c+Sn)力学性能、电子结构与热学性能的影响.pdf79页
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分类号：TG111 单位代码：10110 学 号：S1座机电话号码 中 北 大 学 硕 士 学 位 论 文 第一性原理研究压力对 NiX X Pt,3 Mo,V,Sn 力学性能、电子结构和热学 性能的影响 硕士研究生 齐 雷 指导教师 靳玉春 学科专业 材料加工工程 2015 年 5 月 25 日
万方数据 图书分类号 TG111 密级 非密 UDC注 1 硕 士 学 位 论 文 第一性原理研究压力对Ni X X Pt,Mo,V,Sn 力学性能、电3 子结构和热学性能的影响 齐 雷 （作者姓名） 指导教师（姓名、职称） 靳玉春 申请学位级别 硕士 专业名称 材料加工工程 论文提交日期________年______月______日 论文答辩日期________年______月______日 学位授予日期________年______月______日 论文评阅___________________________________________________________ 答辩委员会主席_______________________ 年 月 日 注1:注明《国际十进分类 UDC》的分类
万方数据 中北大学学位论文 第一性原理研究压力对Ni X X Pt,Mo,V,Sn 力学性能、电子结构和热 3 学性能的影响 摘 要 金属间化合物具有比重小、抗高温、耐氧化等优点，是一种极具潜力的高温结构材 料，在航空航天、汽车、化工等领域具有很好的应用前景。但因为室温塑性差、断裂韧 性低等缺点，金属间化合物材料的实际应用受到限制，因此对金属间化合物展开室温塑 性改善、脆性本质或固有性能等方面的研究具有十分重要的意义。因此，本文对四种常 见的金属间化合物Ni Pt、Ni Mo、Ni V和Ni Sn进行了研究。3 3 3 3 本文以金属间化合物Ni X X Pt,Mo,V,Sn 为研究对象，采用基于密度泛函理论的3 第一性原理平面波赝势方法，运用量子力学原理，利用CASTEP程序包，并结合准谐 德拜模型，通过计算压力作用下的晶格常数、晶胞体积、弹性常数、弹性模量、泊松比、 态密度、布居分析、热
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高压下钒的结构相变的第一性原理计算研究.pdf57页
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扬州大学 硕士学位论文
高压下钒的结构相变的第一性原理计算研究 姓名：刘海平 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：曾祥华 座机电话号码 刘海平：高压下钒的结构相变的第一性原理计算研究 55 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研
究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律结果由本人承担。 、
一 学位论文作者签名：山t，1馏争 I ，l ／ 签字日期：∥狰6月F日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向
国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。
本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，
可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学
技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向
社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名．i1讼午 导师签名．嘞莰事 ，1 f ／ 签字日期： 卉年厶月旷日 签字日期：
廿年6月J自 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。 刘海平：高压下钒的结构相变的第一性原理计算研究 l 摘
要 同一种物质有着不同的晶体结构，不同的晶体结构对其作为材料的性能有很
大的影响，所以结构相变及其相变机制的研究对于许多领域如材料科学，地球科
学，化学物理科学是
正在加载中，请稍后...第22卷第2期Vol.22No.2中国有色金属学；文章编号：12)02--；第一性原理研究合金元素对Ni3Al(010)面；反相畴界能的影响；温玉锋，孙坚，黄健，邢辉；(上海交通大学材料科学与工程学院，上海20024；摘要：采用第一性原理投影缀加波赝势和广义梯度近似；关键词：反相畴界能；合金元素；Ni3Al金属间化；First-pri
第22卷第2期 Vol.22 No.2
中国有色金属学报
The Chinese Journal of Nonferrous Metals
文章编号：12)02- -
第一性原理研究合金元素对Ni3Al (010)面
反相畴界能的影响
温玉锋，孙
(上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200240)
要：采用第一性原理投影缀加波赝势和广义梯度近似方法研究不同铝含量以及主要合金化元素Ti、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Re 和Pt等对Ni3Al的(010)面反相畴界能的影响规律，并结合合金元素与第一近邻原子的相互作用关系对其进行讨论。结果表明：随着铝含量的增加，Ni3Al(010)面的反相畴界能显著升高；在富镍条件下，优先占据Ni3Al镍亚点阵位置的合金元素Ru、Pd和Pt会降低Ni3Al(010)面的反相畴界能，而优先占据Ni3Al铝亚点阵位置的合金元素Ti、Mo、Ta、W和Re则会增大Ni3Al(010)面的反相畴界能；合金元素对Ni3Al的反相畴界能影响既与该合金元素在化合物中亚点阵的优先占位相关，同时与该合金元素与化合物中Ni与Al原子的键合强度相关。
关键词：反相畴界能；合金元素；Ni3Al金属间化合物；第一性原理 中图分类号：TG146.15；TG132.33
文献标志码：A
First-principles study of influence of alloying elements on (010)
antiphase boundary energy in Ni3Al
WEN Yu-feng, SUN Jian, HUANG Jian, XING Hui
(School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)
Abstract: The first-principles based on the projector augmented wave method and generalized gradient approximation was used to study the influence of the Al contents and major alloying elements, such as Ti, Mo, Ru, Pd, Ta, W, Re and Pt, on the antiphase boundary energy of the 1/2?110?{010} in Ni3Al. The results show that the antiphase boundary energy significantly increases with the increase of Al concentration. In Ni-rich Ni3Al, the elements of Ru, Pd and Pt with Ni sublattice preference reduce the antiphase boundary energy, whereas the elements of Ti, Mo, Ta, W and Re with Al sublattice site preference increase the antiphase boundary energy in Ni3Al. The effect of alloying elements on the antiphase boundary energy is correlated to both the site preference of elements and the bonding strengths in Ni3Al. Key words: antip Ni3Al in first-principles
具有L12型晶体结构有序金属间化合物Ni3Al具有优异的高温力学性能并已经引起了人们的广泛关注
金元素的加入往往通过影响Ni3Al的超位错分解方式、反相畴界能(Antiphase boundary energy，APBE)和内禀层错能等晶体缺陷性质，从而显著影响金属间化合物Ni3Al的形变行为及力学性能[1?3]。因此，研究不同铝含量以及合金元素对金属间化合物Ni3Al的APBE的影响规律，对于通过合金化途径改善Ni3Al
。金属间化合物Ni3Al超位错可以反相畴界和内禀
层错两种方式进行分解，其中(111)面上滑移的位错通过交滑移在(010)面上形成Kear-Wilsdorf固定位错是Ni3Al高温强化的主要位错机制[2]。不同铝含量以及合
基金项目：上海市基础研究重大项目(08dj1400402)；国家自然科学基金资助项目() 收稿日期：；修订日期：
通信作者：孙
坚，教授，博士；电话：021-；E-mail: jsun@
中国有色金属学报
力学性能是十分必要的。以往已有研究者对合金元素
对金属间化合物Ni3Al的APBE的影响开展一些实验研究，例如CHIBA等[4?6]通过实验发现随着Al含量的降低，Ni3Al中反相畴密度增大，这间接反映了Ni3Al的APBE随Al含量的降低而减小。研究同时发现，γ形成元素Pd、Cu、Co、Ag等的加入会降低Ni3Al的APBE，而γ′形成元素Ti、Zr、V、Nb、Ta等的加入会升高Ni3Al的APBE。DIMIDUK等[7]利用透射电镜研究了Ta等合金元素的加入对金属间化合物Ni3Al塑性变形后超位错分解以及APBE的影响。由于以上研究中金属间化合物Ni3Al合金的化学成分各异，而且实验数据十分有限，不足以全面了解主要合金元素对金属间化合物Ni3Al的APBE的影响规律。当前第一性原理已经应用于研究合金元素在金属间化合物Ni3Al中的占位情况及其力学性质[8?12]。本文作者将采用基于密度泛函理论的投影缀加波赝势方法和广义梯度近似法来系统研究不同铝含量及主要合金元素对金属间化合物Ni3Al(010)面反相畴界能的影响，并结合合金元素与第一近邻原子的相互作用关系讨论合金元素对Ni3Al的APBE的作用规律。
计算模型与方法
本研究所有计算均采用VASP(Vienna ab initio simulation package)计算软件包[13]，它是基于密度泛函理论的投影缀加波赝势方法。计算中广义梯度近似形式的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)势函数被用来描述交换关联作用[14?15]，同时考虑电子自旋作用。平面波动能截断点为390 eV，电子步自洽循环的能量收敛判据为10?4 eV。采用Monkhorst-Pack特殊k点网格点方法对布里渊区进行积分[16]，并针对所选超胞选取一个8×4×2的k网格点。在利用准牛顿算法对结构进行弛豫优化时，以超胞内所有原子在3个方同上的Hellmann-Feymanlt力均小于0.05 eV/?作为收敛判据。根据周期性边界条件，本研究建立了一个以[101]、[101]和[010] 3个方向为坐标轴包含10层(010)面共有80个原子的超胞模型，且沿[010]方向加了一个大约12 ?的真空层。该晶胞含有两种不同类型的原子层，其中A层的原子为4Ni和4Al，B层的全为Ni。当该胞的上5层沿[10-1]方向滑移a0/2，(010)面的原子堆垛排布从完整的
ABABA|BABAB变为
ABABA|ABABA，从而在第5和第6两层原子间形成一个反相畴界结构。分别通过Ni取代第5层上的一个
Al 原子和Al取代第6层上的一个Ni原子形成富镍Ni3Al和富铝Ni3Al的反相畴界结构。本文作者根据所选合金元素在Ni3Al中的优先占位情况，采用了两种不同的合金元素置换方式：优先占据Ni3Al中Ni亚点阵位置的合金元素置换富镍Ni3Al反相畴界结构第5层上的一个Ni原子，而优先占据Ni3Al中Al亚点阵位置的合金元素直接置换Ni3Al反相畴界结构第5层上的一个Al原子。系统中引入反相畴界后系统的能量变化为
EAPB=EAPB?E0
(1) 式中：E0为完整晶体的总能量；EAPB为含反相畴界晶体的总能量。
单位面积的反相畴界APBE定义为 γ
APB=ΔE/ΔS
(2) 式中：ΔS为反相畴界的面积。
计算结果与计论
本研究首先计算不同铝含量的金属间化合物Ni3Al(010)面反相畴界能，计算结果如表1所列。从表1中可以看出，Ni3Al(010)面反相畴界能随铝含量的增加显著升高，其中化学计量比Ni-25Al的(010)面的APBE为136.61 mJ/m2，这与文献中140 mJ/m2的实验测量值与理论计算值相吻合[3, 17?18]。同时，反相畴界能随铝含量的变化趋势与CHIBA等[6]的实验研究结果一致。Ni3Al(010)面反相畴界能随铝含量的增加显著升高可以大致从有序金属间化合物Ni3Al的晶体结构进行解释。有序面心立方结构的Ni3Al中存在Ni―Ni和Ni―Al两种原子键，同时Ni―Al键较Ni―Ni键结合强度大。在Ni3Al(010)面上Ni原子周围第一近邻有8个Ni原子和4个Al原子，而Al原子周围第一近邻被有12个Ni原子包围。在富镍条件下Ni3Al 中部分Al原子被Ni原子取代，Ni―Ni键的数量增加，而Ni―Al键的数量减少，因此在形成APB时破坏的Ni―
不同铝含量Ni3Al的APBE
APBE in (010) plane in Ni3Al alloys with different Al concentration
Alloy APBE/(mJ?m?2)
Ni-23.75Al 58.54 Ni-25Al 136.61 Ni-26.25Al
第22卷第2期
温玉锋，等：第一性原理研究合金元素对Ni3Al (010)面反相畴界能的影响 3
Al键的数量相应减少，APBE随之降低；反之，在富铝条件下Ni原子被Al原子取代，Ni―Ni键的数量减小，Ni―Al键的数量增加，在形成APB时破坏的Ni―Al键的数量相应增加，APBE随之升高。
合金元素Ru、Pd和Pt均为γ形成元素，研究表明Ru、Pd和Pt等γ形成元素在Ni3Al中优先占据Ni的亚点阵位置[8]。本研究计算了Ru、Pd和Pt加入Ni3Al后形成的三元Ni3Al合金(010)面的反相畴界能，其计算结果见表2。从表2中可以看出，在富镍条件下优先占据Ni3Al 中Ni亚点阵位置的Ru、Pd和Pt合金元素会降低
Ni3Al(010)面的
APBE，其中
Ni75Pd1.25Al23.75的APBE为103.50 mJ/m2，这与文献[19?20]中Ni74.5Pd2Al23.5金属间化合物的APBE实验值102±11一致。比较表1和2所列结果可以发现，富镍条件下添加优先占据Ni亚点阵位置Ru、Pd和Pt合金元素的Ni3Al金属间化合物的APBE较化学计量比Ni3Al的APBE小，但较Al含量相同的Ni3Al金属间化合物的APBE大，这说明富镍条件下添加优先占据Ni亚点阵位置Ru、Pd和Pt合金元素的Ni3Al金属间化合物的APBE受化合物中镍含量与合金元素的共同作用。这同时也说明三元化合物中Pd―Al键、Pt―Al键及Ru―Al键依次较化合物中Ni―Al键结合强度大。本研究计算了Ni75Pd1.25Al23.75的Pd及其第一近邻Ni和Al的电子态密度分布，如图1所示。从图1中可以发现，Pd原子d轨道与Al原子p轨道的杂化程度比Ni原子d轨道与Al原子p轨道的杂化程度高，这表明形成的Pd-Al键比Ni―Al键强。MENG等[21]计算了Ni3Al中的Ni―Ni键和Ni―Al键的键级以及合金元素M(Pd、Cu、Co、Ag、Fe)取代Ni3Al中的Ni时形成的M―Al键和M―Ni键的键级，其中Ni―Al键的键级计算值为0.196 8，Pd―Al键的键级计算值为0.256 9，说明Pd取代Ni时形成的Pd―Al键比Ni―Al键强。
合金元素Ti、Mo、Ta、W和Re均为γ′形成元素，这些Ti、Mo、Ta、W和Re等γ′形成元素在Ni3Al中优先占据Al的亚点阵位置[9]。本文计算了Ti、Mo、Ta、W和Re加入后形成的三元Ni3Al合金的(010)面
合金元素占据Ni位置的Ni3Al基合金(010)面的APBE Table 2
APBE in (010) plane in Ni3Al with alloying elements substituting Ni sublattice
Alloy APBE/(mJ?m?2
Ni75Ru1.25Al23.75 79.90 Ni75Pd1.25Al23.75 103.50 Ni75Pt1.25Al23.75
Ni75Pd1.25Al23.75中Pd及其第一近邻Ni和Al原子的电子态密度分布
Density of states of Pd and first neighboring Ni and Al atoms in Ni75Pd1.25Al23.75
反相畴界能，计算结果如表3所列。从表3中可以看出，优先占据Ni3Al 中Al亚点阵位置的Ti、Mo、Ta、W和Re合金元素会增大Ni3Al(010)面的APBE，其中，Ta取代Al原子的化合物的APBE为253.10，这与文献[22]中Ni74.3Al24.7Ta1.0化合物的APBE实验值225±30相近。从表3所列计算结果可以看出，添加优先占据Ni3Al 中Al亚点阵位置的Ti、Mo、Ta、W和Re合金元素的Ni3Al金属间化合物的APBE明显比化学计量比Ni3Al的APBE大，说明了三元化合物中W―Ni键、Re―Ni键、Ta―Ni键、Mo―Ni键与Ti―Ni键依次较化合物中Al―Ni键结合强度大。本研究计算了Ni75Al23.75Ti1.25的Ti及其第一近邻Ni和Al的电子态密度分布。如图2所示。从图2中可以看出，Ni原子d轨道与Ti原子d轨道的杂化程度比Ni原子d轨道与Al原子p轨道的杂化程度明显高，这表明化合物所形成的Ni―Ti键比Ni―Al键强。WANG等[23]分别计算了Ni3Al、Ni6AlTi和Ni3Ti的形成能，它们依次分别为?745、?816和?838 meV/atom，这从能量角度说明Ti取代Al时所形成的Ni―Ti键比Al―Ni键强。以上计算结果表明，在Ni3Al添加优先占据镍亚点阵位置的Ru、Pd和Pt合金元素使Ni3Al的APBE降低，而添加优先占据铝亚点阵位置的Ti、Mo、Ta、W和Re合金元素使Ni3Al的APBE增大。合金元素对金属间化合物Ni3Al的APBE大小影响即与该合金元素在化合物中亚点阵的优先占位相关，同时与该合金元素与化合物中Ni与Al原子的键合强度存在关联性。以上计算研究结果与CHIBA等[4?6]以及DIMIDUK等[7]的实验研究结果一致。如前所述， Ni3Al金属间化合
中国有色金属学报
物位错的分解方式、以及反相畴界能和内禀层错能等晶体缺陷性质对Ni3Al的形变行为及力学性能有显著影响；合金元素的加入往往通过改变Ni3Al的晶体缺陷性质，从而影响Ni3Al金属间化合物的力学性能。本研究就不同铝含量及主要合金元素对金属间化合物Ni3Al(010)面反相畴界能影响规律的研究结果，对金属间化合物Ni3Al合金化元素的选择有积极意义。
合金元素占据Al位置的Ni3Al基合金(010)面的APBE Table 3
APBE in (010) plane in Ni3Al with alloying elements substituting Al sublattice
Alloy APBE/(mJ?m?2)
Ni75Al23.75Ti1.25 217.86 Ni75Al23.75Mo1.25 240.77 Ni75Al23.75Ta1.25 253.10 Ni75Al23.75W1.25 260.82 Ni75Al23.75Re1.25
Ni75Al23.75Ti1.25中Ti及其第一近邻Ni和Al原子的电子态密度分布
Density of states of Ti and first neighboring Ni and Al atoms in Ni75Al23.75Ti1.25
1) 随着铝含量的增加，Ni3Al(010)面的反相畴界能显著升高。
2) 在富镍条件下，优先占据Ni3Al镍亚点阵位置的合金元素Ru、Pd和Pt取代Ni位置时，降低Ni3Al(010)面的反相畴界能；而优先占据Ni3Al铝亚点阵位置的合金元素Ti、Mo、Ta、W和Re取代Al位置时则增大Ni3Al(010)面的反相畴界能。
3) 合金元素对金属间化合物Ni3Al的APBE大小
影响既与该合金元素在化合物中亚点阵的优先占位相关，同时与该合金元素与化合物中Ni与Al原子的键合强度存在关联。
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