体心立方金属孪晶机制的第一原理研究

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体心立方(BCC)金属及合金具有高熔点、高强度及断裂韧性、良好的可焊接性及导热性等优点,是重要的工程用结构材料。BCC金属及合金的塑性变形机制主要有位错滑移和孪生两种形式。随加载条件不同,两种变形机制相互竞争。一般来说,在高温和低应变速率下,BCC金属变形以位错滑移为主。但在低温和高应变速率下,BCC孪晶对塑性变形的贡献增加。因此,研究BCC金属及合金的孪生行为,对理解其力学性质具有重要意义。目前,金属及合金的孪生研究主要集中于面心立方(FCC)和密排六角(HCP)结构。BCC结构为非密排结构,其孪生行为较为复杂,还缺少系统的研究。广义层错能是表征金属及合金滑移及孪生能力的重要参数,可用第一性原理方法精确计算。因此,本论文采用第一性原理方法,研究了 BCC结构纯金属、Fe-Cr二元合金、TiZrHfNb基难熔高熵合金等的孪生行为。大量研究表明,BCC金属和合金可能存在两种不同的孪生机制,即,对称的反射孪生(reflection twin)及非对称的等腰孪生(isosceles twin),但不同金属中两种机制的竞争关系尚不明确。本文采用第一原理精确Muffin-Tin轨道(EMTO)方法以及平面波赝势Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)方法结合超晶胞模型计算了 8 种 BCC 金属(Nb、V、Ti、Ta、Fe、Mo、Cr 和 W)中{112}[111]孪晶的两种形成机制对应的广义层错能。计算结果表明,Ti、V、Nb、Ta和Fe(Nb类元素)的孪晶层错能较低,较易形成孪晶;Mo、Cr和W(Mo类元素)的层错能较高,孪晶形成难度较大。Nb类金属中更容易形成等腰孪晶,而Mo类金属中更易形成反射孪晶。采用超晶胞模型计算广义层错能的运算量比较大。基于轴向层间相互作用的Ising模型可以通过计算几种小晶胞的能量,进而计算金属的层错能。Ising模型已被广泛用来计算HCP、FCC结构的稳定层错能,但是BCC结构金属层错能的Ising模型计算尚未见报道。本文首次推导出了反射和等腰两种BCC孪生机制的Ising模型及层间相互作用势的表达式,并计算了 8种金属的反射和等腰孪晶的层错能,与用超晶胞方法计算得到的广义层错能数值符合良好。Mo类元素的最近邻层间相互作用势J1普遍比Nb类的大,这导致了 Mo类元素的层错能更大。在孪晶形核期,Nb类和Mo类元素倾向于形成不同的孪晶构型。我们对此现象进行了定量的评估,推导出了不同总位移下两种孪晶形成机制层错能之差的表达式,给出了两种孪晶构型相对稳定性判据。铁素体/马氏体Fe-Cr合金是潜在的四代堆和聚变示范堆的结构材料,具有抗辐照脆性好、耐腐蚀性和机械性能良好等特性。本文计算了 Fe和Fe-Cr二元合金在铁磁和顺磁态下∑3{112}反射和等腰共格孪晶的广义层错能。研究结果显示,铁磁和顺磁态下等腰孪晶形成能更低更稳定。在铁磁性状态下,Cr合金化会减小体系的广义层错能,顺磁性状态下反之。长程磁序的损失会使得孪晶界迁移能γTBM增大,而孪晶界形成能γTBF减小。层错的引入会改变Fe及Cr原子磁矩。铁磁态下,Cr合金化会使得晶界处的磁矩先增大后减少,而在顺磁态下,孪晶界处的磁矩会受到抑制。长程磁序损失会导致广义层错能减小,有利于Fe-50wt.%Cr形变孪晶的生长。高熵合金(high entropy alloys,HEAs)是一种新型金属材料。TiZrHfNb基难熔HEAs因具有室温拉伸塑性,是目前最受瞩目的单相BCC HEAs材料之一。我们用 EMTO 结合相干势近似(Coherent Potential Approximation,CPA)计算了TiZrHfNbX 系统(Ti1-xZrHfNbXx、TiZr1-xHfNbXx、TiZrHf1-xNbXx和 TiZrHfNb1-xXx,其中X=Al、Si、Mn、Zn、Y、Mo、Ta和W)体系的晶格常数和层错能。研究结果显示,除了 X为Zn和Y以外,晶格常数随着X合金成分的增加基本呈线性减小的趋势;孪晶层错能普遍比全滑移层错能低,并且等腰孪晶比反射孪晶形成能更低。我们还用VASP结合特殊准无序方法(Special Quasirandom Structures,SQS)分别计算了 96和120原子TiZrHfNb和Ti1-xZrHfNbTax的广义层错能,计算结果表明,这两种成分在能量上都更倾向于形成等腰孪晶。
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