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《昆明理工大学》 2009年
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CuCr合金时效析出的第一原理计算与分子动力学模拟

冯晶  
【摘要】:采用快速凝固法制备过饱和CuCr固溶体,通过透射电镜和能谱等实验手段确定时效析出过程中的结构转变,析出相与基体位向关系,并从电子-原子层次解释固溶态结构中Cr相富集的原子组态变化,以及过渡相的形成过程,对合金时效析出的整个过程从理论上进行了解释;阐明低温时效析出过程中调制结构的形成机理,调制结构的稳定性和热力学条件,以及这些新相结构的性质;确定析出相沿特定晶向析出时能量变化,形成两相界面结构的性质及对基体的影响。探索时效析出过程中不同温度对析出动力学的影响,以及原子组态在不同温度下的变化情况。 在300℃和600℃时效不同时间过程中发现随着时效时间的延长,Cr不断富集,形成G.P区,析出相与基体之间的取向关系符合Nishvama-Wasserman位向关系。500℃时效的显微结构分析发现,溶质原子的不断聚集导致了微观结构变化形成了调制结构,调制结构Ⅰ是三维无公度调制结构,调制波矢约为0.132a*,不同区域的调制周期有7,8,和9并不固定,调制结构Ⅱ为由体心立方结构演变的D03型调制结构,为FeA13型的Hesuler相,超点阵衍射花样属于Fm3m空间群(即225#空间群),晶胞由八个体心立方分两层上下相重叠而成,调制结构Ⅱ和基体之间遵守N—W位向关系。 证实了Cr在Cu中逐渐富集是一种亚稳态向稳定态转变的过程,Cr沿不同晶面的富集能量差别较大,研究发现沿(110)生长的新相体系能量会逐渐增大,如果析出沿着该方向则形成的结构不稳定,应力和能量作用下会向其它方向转变;沿(100)和(111)方向的符合化学反应中的能量最低原理。调制结构Ⅰ(θ``)的阶段认为是扩散控制阶段,影响调制结构Ⅰ的形成及其结构的周期主要是Cr原子进入富集区的浓度和时效温度。调制结构Ⅱ(θ`)形成的控制因素却并非扩散过程,即满足能量条件和结构调整的能力(结构转变过程中周围原子应力势垒),就可顺利实现调制结构I(θ``)向调制结构Ⅱ(θ``)的转变。研究结果表明时效析出惯序应该为:Cu(Cr)固溶体母相-------纳米富Cr团簇/区(G.P)-----时效析出结构Ⅰ(θ``)------时效析出结构Ⅱ(θ`)--------半共格的BCC Cr(θ)-------非共格的长大BCC Cr单质。 新发展了密度泛函势的计算方法,直接计算得到原子间相互作用势,建立了Cu、Ag、Cr、Zr等立方结构和六方金属的势函数,该计算方法对结合能,空位形成能,平衡距离及力学性质等有较好的描述。 分子动力学研究表明时效动力学主要受温度控制,模拟得到了不同温度时效过程中固溶体原子的组态变化,在较高温度(873K)时效中,时效速度加快的原因不仅是由于原子能量的提高使得运动能力加强,而且还有互扩散的影响。证明了温度过高“时效”时会使析出相再次固溶进基体,发生过时效。 计算表明Cu(100)为基准面的析出关系界面结合能较低,不利于时效析出及新相生长,界面不能达到最稳定的状态;电子云密度分布,态密度和结合能计算表明,结合较稳定的界面取向是Cu(110)/Cr(111)和Cu(111)/Cr(100)的两种界面结合关系,从能带结构理论解释了纯Cu晶体的相关性质;第一原理的角度证实了Schottky空位较Frenkel缺陷在Cu晶体中形成要容易,证明了形成缺陷能使体系达到一个能量更低的平衡态,增加体系的稳定性,从而使Cu晶体达到或接近更稳定的基态。在CuCr合金中添加Zr,Ni,Zn,Si,Y,Ag,Al和Nb后对合金体系产生显著的影响,改变体系电子云分布,整体态密度和分态密度等,合金性质的影响主要受添加元素的电负性,合金形成稳定性,原子半径等控制。
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