基于第一性原理方法研究Cr2Nb的断裂性能

论文摘要

新型高温结构材料Laves相金属间化合物Cr2Nb拥有很多潜在的优异性能,但Laves相金属间化合物在室温下具有较高的脆性,这种缺点极大程度上限制了其实际应用范围。本文应用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对Laves相金属间化合物Cr2Nb的C15、C14、C36三种结构进行研究,并计算M（M=Ti、W、Mo、V、Zr）元素掺杂进入C15-Cr2Nb体系之后,掺杂M元素原子的空间占据位置以及添加M元素原子之后掺杂体系的电子结构及其力学性能。最后对C15-Cr2Nb掺杂体系沿（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）三个晶面方向的断裂性能进行研究分析,探索并揭示Laves相金属间化合物Cr2Nb的微观断裂机制,为改善Cr-Nb合金的室温脆性提供理论依据。首先,本文基于密度泛函理论的第一性原理方法深入计算分析了Laves相金属间化合物Cr2Nb的三种晶胞结构体系C15、C14以及C36结构的生成焓与结合能、态密度等电子结构以及其弹性常数、弹性模量等力学性能,计算得到数据均与文献中的实验数据相吻合。分析计算得到的结果得出了C15结构的掺杂元素结合能力最强,同时其相稳定性也较高。其中C14的室温脆性最大,而C36结构的室温脆性是最小的。接下来,对掺杂合金元素M（M=Ti、W、Mo、V、Zr）的在C15-Cr2Nb晶胞中的晶格占位进行计算,并计算得到了掺杂体系的态密度。并根据占位情况对掺杂M元素原子占不同总原子百分比的C15-Cr2Nb掺杂体系的晶胞参数和力学性能进行了计算研究。由晶胞体系占位能分析可知,Ti和Zr倾向占据C15-Cr2Nb中的Nb位置,而W、Mo和V原子倾向占据Cr原子的晶格位置,其中V原子倾向强烈,而W和Mo原子倾向较弱。在计算了体系态密度得到掺入W、V、Zr元素增加了Nb和Cr之间的杂化效应,可能对降低C15-Cr2Nb的室温脆性有所帮助。掺杂Zr元素后随着浓度的升高掺杂体系的变形能力、相稳定都呈上升趋势,而脆性呈逐渐下降趋势,说明可能对体系脆性改善最大的是Zr元素。最后,通过计算掺杂体系沿（1 0 0）、（1 1 0）和（1 1 1）三个晶面方向拉伸断裂的断裂能Gc和临界应力σ研究了其断裂性能,从得到的断裂能Gc和临界应力σ数据结果可以发现掺杂原子W和V占据Cr空间位置以及掺杂元素Zr占据Nb空间位置能够增强C15-Cr2Nb掺杂体系的断裂性能,其中掺杂元素W对掺杂体系断裂性能的改善有效果但不太理想。而掺杂元素Mo占据Cr空间位置以及掺杂元素Ti占据Nb空间位置降低了掺杂体系C15-Cr2Nb的断裂强度。这些结果也与文献中的实验数据结果吻合。并通过计算差分电荷密度,得到计算体系（1 1 0）面的电荷密度图,从微观层面上揭示了M元素对C15-Cr2Nb体系断裂性能的作用机理,表明掺杂元素M与体系原子之间的强烈杂化是改善Cr-Nb合金体系断裂性能的关键。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 2Nb金属间化合物简介'>  1.2 Laves相 Cr₂Nb金属间化合物简介
•   1.3 Laves相金属间化合物的研究进展
•     1.3.1 Laves相金属间化合物力学性能的研究进展
•     1.3.2 掺杂金属元素对Laves相金属间化合物影响的研究进展
•     1.3.3 Laves相金属间化合物韧脆性以及断裂性能研究进展
•   1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 第一性原理的理论基础与计算方法
•   2.1 密度泛函理论基础
•     2.1.1 多粒子系统的薛定谔方程
•     2.1.2 Hartree-Fock近似
•     2.1.3 Thomas-Fermi模型
•     2.1.4 Hohenberg-Kohn定理
•     2.1.5 Kohn-Sham方法
•     2.1.6 交换关联能泛函
•     2.1.7 赝势（Pseudopotentials）
•   2.2 第一性原理的计算方法
•     2.2.1 赝势平面波方法
•     2.2.2 生成焓与结合能
•     2.2.3 力学性能
•   2.3 第一性原理计算软件简介
• 2Nb三种结构'>第3章 基于第一性原理研究Laves相Cr₂Nb三种结构
•   3.0 引言
•   3.1 计算结构模型与优化
•   3.2 计算结果与讨论
•     3.2.1 生成焓和结合能的计算结果
•     3.2.2 电子结构计算结果
•     3.2.3 力学性能数据计算结果
•   3.3 本章小结
• 2Nb的结构性能的影响'>第4章 元素掺杂对Laves相 Cr₂Nb的结构性能的影响
•   4.1 模型构建与计算方法
•   4.2 掺杂元素的空间占位
•     4.2.1 生成焓和结合能的计算
•     4.2.2 晶格占位倾向
•     4.2.3 掺杂体系电子结构
•   4.3 掺杂元素浓度差异对掺杂体系力学性能影响
•     4.3.1 晶胞参数计算结果与分析
•     4.3.2 掺杂体系力学性能研究
•   4.4 本章小结
• 2Nb断裂性能的影响'>第5章 元素掺杂对Cr₂Nb断裂性能的影响
•   5.1 第一性原理方法下的理想脆性断裂
•   5.2 脆性断裂模型及计算
•     5.2.1 计算模型
•     5.2.2 理想脆性断裂计算
•     5.2.3 模型电荷密度
•   5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 罗庆昕

导师: 李晨亮

关键词: 第一性原理,金属间化合物,力学性能,理想脆性断裂,掺杂

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,金属学及金属工艺

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: O346.1;TG144

总页数: 77

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