多元合金的電子、原子層次的理論計(jì)算及其應(yīng)用

1、多元合金的電子、原子層次的理論計(jì)算及其應(yīng)用 08-07-20 15:52:00 作者：未知編輯：Studa_hasgo122【摘 要】本文是在電子、原子層次上進(jìn)行多元合金設(shè)計(jì)的一個初步探索，研究表明，由原子間相互作用勢計(jì)算確定合適的基體成分，選擇嘗試的合金總成分，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算碳 化物體積分?jǐn)?shù)，取得與合適的相結(jié)構(gòu)對應(yīng)的合金總成分, 由試驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。這樣的 一種思路是可行的。 關(guān)鍵詞: 第一原理; 相互作用勢; 多元合金; 合金設(shè)計(jì) Abstract This is a preliminary investigation of alloy design for multi-elemen

2、t alloys at electronic and atomic scale. The research shows that this idea of alloy design was feasible that first calculating the properties of matrix with different compositions by interatomic potential, secondly selecting the attempt total composition of the alloy, then calculating the carbide vo

3、lume fraction by empirical formulae, until obtaining the appropriate total composition of the alloy corresponding to the desired phase structure, finally testing the design by experiment. Keywords: first principles, Interatomic potentials, Multi-element alloy, alloy design 1引言 目前從電子、原子層次上進(jìn)行材料設(shè)計(jì)是材料科學(xué)

4、領(lǐng)域的學(xué)者們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題， 主要研究方法有第一性原理方法，第一性原理贗勢方法，原子間相互作用勢方法，分子力學(xué) 方法，分子動力學(xué)方法及蒙特卡羅方法等。其中前兩種方法是在電子層次上進(jìn)行材料設(shè)計(jì)的 方法，其方法的物理基礎(chǔ)可靠，但由于計(jì)算工作量很大，因而所計(jì)算的體系受到一定的限制。 后幾種方法是在原子及分子層次上的設(shè)計(jì)方法，這幾種方法不考慮電子結(jié)構(gòu)的影響，雖然會 損失一些精度，但大體上反映出由相互作用勢所決定的晶體結(jié)構(gòu)，以及由晶體結(jié)構(gòu)所決定的 材料性質(zhì)，且計(jì)算速度明顯提高1。本文在多元合金的電子、原子層次的理論計(jì)算上聯(lián)合使 用了第一性原理方法和原子間相互作用勢方法，根據(jù) 3 種系列合金的關(guān)鍵問題

5、進(jìn)行理論計(jì)算 并結(jié)合其他理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算進(jìn)行了合金設(shè)計(jì)探討。 2Fe-Cr-Mn-C 系亞穩(wěn)奧氏體基鑄造合金 Fe-Cr-Mn-C 系亞穩(wěn)奧氏體基鑄造合金有優(yōu)異的耐磨性和高的抗沖刷腐蝕能力。其合金 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵理論問題是 B 對該多元合金奧氏體體系的影響，以及對含 B 多元合金奧氏體電 子、原子層次的計(jì)算研究。通過對奧氏體合金大體系的能量計(jì)算，既可以解釋 B 元素在奧 氏體中占位、分布、固溶度、與 C 的替代作用、與其他合金元素的配合對奧氏體的影響， 又可進(jìn)而解釋 B 對摩擦誘發(fā)馬氏體相變的作用2。Fe-Cr-Mn-C-B 系鑄造合金一般為基體（奧 氏體或馬氏體）和碳硼化物組成的雙相系統(tǒng)，其中

6、 C 元素和 B 元素在奧氏體基體中的作用 對合金材料的性能有重要影響。C 在奧氏體中的固溶度和占位已很清楚，而 B 的固溶度和 占位還不很清楚，采用量子化學(xué)從頭計(jì)算方法，通過對含 C、B 的奧氏體小團(tuán)簇電子結(jié)構(gòu)計(jì) 算，來研究 B 在奧氏體中的固溶度和占位情況。 團(tuán)簇的選取以從奧氏體的實(shí)測晶格結(jié)構(gòu)出發(fā)，從中選取奧氏體中的八面體和四面體小團(tuán) 簇。并在團(tuán)簇中心分別加入一個 B 或 C 原子，計(jì)算團(tuán)簇的結(jié)合能，見表 1。由表 1 可見奧 氏體中 Fe4 四面體團(tuán)簇的原子平均結(jié)合能略大于 Fe6 八面體的，因?yàn)榘嗣骟w中存在距離較遠(yuǎn) 的三對原子，使結(jié)合能降低。B 和 C 均使四面體體積增大很多（棱長增加

7、 34.2%），使結(jié)合 能降低，表明它們在四面體間隙存在的可能性很小，尤其是 B 更小。B 使八面體的體積增 大（棱長增加 16.2%），結(jié)合能略有升高；在體積不變時，C 使八面體的結(jié)合能略有降低， 表明 C 在奧氏體八面體間隙中的溶解度要遠(yuǎn)大于 B。 表 1 量子化學(xué)從頭算合金小團(tuán)簇的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果采用量子化學(xué)從頭計(jì)算精確處理含 B 小團(tuán)簇，以半經(jīng)驗(yàn)原子間相互作用對勢處理大團(tuán) 簇，研究含微量 B 元素的合金奧氏體大體系。對含微量元素小團(tuán)簇進(jìn)行局部精確計(jì)算，對 大團(tuán)簇采用低精度的計(jì)算方法，既能反映微量元素的作用，也使電子、原子層次的計(jì)算處理 多元合金大體系成為現(xiàn)實(shí)。 應(yīng)用量子化學(xué)從頭計(jì)算方法

8、對含 B、C 奧氏體大體系進(jìn)行局部精確計(jì)算，計(jì)算結(jié)果：B 在八面體間隙中的原子平均結(jié)合能為 1.6978eV，最近鍵距為 0.29967nm；C 在八面體間隙中 的原子平均結(jié)合能為 1.3520eV，最近鍵距為 0.25780nm；每個八面體間隙 B 原子使奧氏體 Fe 團(tuán)簇總結(jié)合能降低 116.91443eV，每個 C 原子使小團(tuán)簇總結(jié)合能降低 0.459142eV，B 原 子對奧氏體能量的影響是 C 原子的 254.6 倍。利用量子化學(xué)從頭計(jì)算方法計(jì)算了 Fe-Cr-Mn-C-B 系雙原子團(tuán)簇的勢能，提出按勢能曲線最低點(diǎn)與從頭計(jì)算所得的勢能最低值 相重合的擬合原則，得出半經(jīng)驗(yàn)原子間相互作用

9、對勢的參數(shù)，并計(jì)算了奧氏體團(tuán)簇的平均結(jié) 合能、平衡原子間距，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合。將量子化學(xué)從頭計(jì)算方法精確計(jì)算小團(tuán)簇和半經(jīng)驗(yàn) 原子間相互作用對勢處理大團(tuán)簇相結(jié)合，計(jì)算分析 B、C 元素在奧氏體中的間隙固溶度，得 出了 B 原子處于奧氏體的八面體間隙中時的固溶度為 0.097wt%，此時對奧氏體大體系能量 的影響貢獻(xiàn)最大，B 在晶界和缺陷中存在對體系能量影響很小。表 2 是隨含B量增加合金奧 氏體的原子平均結(jié)合能的變化。 表 2奧氏體中其他元素近似不變時 B 含量變化引起的團(tuán)簇原子平均能的變化根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)原子間相互作用對勢計(jì)算結(jié)果，B 在晶界上與 Fe 較易結(jié)合，B 在固溶體中 晶界上的存在幾率很大，而且 B 在硼碳化物中的含量比率也很高，由此，可估算出奧氏體 基鐵合金中 B 的加入量范圍約為 0.051.00wt%。計(jì)算了奧氏體大團(tuán)簇中 Cr、Mn、C 元素含 量固定時，B 的加入對團(tuán)簇原子平均結(jié)合能的影響。隨奧氏體中 B 量的增加，原子平均結(jié) 合能降低，當(dāng) B 含量增至 0.0427wt%時，原子平均結(jié)合能與純鐵奧氏體相比降低 10%，將此 時的 B 含量定義為 B 在該團(tuán)簇中的極限含量，當(dāng)其他元素含量改變時，B 在奧氏體中極限 含量將有所變化。隨著結(jié)合能的降低，奧氏體更易摩擦誘發(fā)馬氏體相變。圖 1 分別是無 B 和含 B 合金磨損表面的 XRD