基于特殊准随机结构的FeNi1-xCrx(0≤x≤1)无序合金的第一性原理研究

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作为合成多种类型的奥氏体、铁素体和马氏体钢的基础,三元Fe-Ni-Cr合金因其技术重要性而受到众多科研人员的关注。在已知的一些合金成分下,该系列合金通常能够表现出优良的磁性、机械和耐腐蚀性能,这使得它们常被作为航天、核能和石油工业中的结构材料或替代材料。然而,由于Fe-Ni-Cr合金具有成分无序性以及复杂的磁性结构,迄今为止对其进行的研究还主要依赖于繁琐的实验方法,这极大地限制了该系列合金的研究与发展。因此,采用一种方便而准确的理论方法描述该系列合金的物理性能具有十分重要的意义。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,结合特殊准随机结构和准谐德拜模型,对铁磁面心立方和体心立方FeNi1-xCrx(x=0,0.125,0.25,0.375,0.5,0.625,0.75,0.875,1)无序合金的性质进行了较为全面的研究,主要内容如下:首先,计算了该系列合金的晶格常数、单原子体积和平均磁矩,并分析了它们与复杂磁结构之间的密切关系。其次,研究了该系列合金的电子性质,发现随着Cr含量增加,态密度逐渐朝着较浅的能级方向移动,表明合金中电子的成键能力逐渐减弱。接着,计算了该系列合金的形成焓,发现只有x≤0.25时的fcc合金才比较容易合成。另外,通过对比发现本文的计算结果与现有的理论和实验数据都能较好的吻合,验证了特殊准随机结构模型在模拟FeNi1-xCrx合金的晶体结构和材料性能方面具有较高的准确性,其第一性原理计算结果可为该系列合金的应用和发展提供一定的理论参考。最后,计算了fcc FeNi1-xCrx(x=0,0.125,0.25)合金的弹性模量、B/G值、泊松比、Cauchy压力,以及在不同温度和压力下的相对体积、热膨胀系数、德拜温度和热容,研究了不同Ni,Cr含量对FeNi1-xCrx合金力学和热力学性质的影响,为该系列合金的优化设计提供了一定的理论参考。
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