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【6h】

合金元素Cr、Mo对Fe-Al金属间化合物强韧性作用机理的理论研究

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目录

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注释表

第1章 绪论

1.1铁铝金属间化合物概述

1.2铁铝金属间化合物强韧化的研究

1.3理论研究现状

1.4选题依据、主要研究内容和技术路线

第2章 密度泛函理论以及相关软件

2.1第一性原理与密度泛函理论

2.2 Materials Studio软件和CASTE P模块

第3章 Cr、Mo对FeAl和Fe3Al电子结构和力学性能的影响

3.1引言

3.2计算方法与计算模型

3.3 B2-FeAl的计算结果与分析

3.4 DO3-Fe3Al的计算结果与分析

3.5本章小结

第4章 Cr、Mo对FeAl和Fe3Al的价电子结构和韧性影响的固体与分子经验电子理论研究

4.1引言

4.2固体与分子经验电子理论(E.E.T.)以及应用系统开发

4.3 Cr、Mo对B2-FeAl价电子结构和韧性的影响

4.4 Cr、Mo对DO3-Fe3Al电子结构和塑性的影响

4.5 本章小结

第5章 Cr、Mo在FeAl∑3(1 10 )晶界及Fe3Al∑5(012)晶界的稳定性及偏析行为

5.1引言

5.2 模型与计算方法

5.3 FeAl∑3(1 10 )晶界的计算结果与分析

5.4 Fe3Al∑5 (012)晶界的计算结果与分析

5.5 本章小结

第6章 Cr2Al、Mo与FeAl相界及Fe3Al相界结合和电子结构

6.1计算方法与结构模型

6.2 Cr2Al、Mo对FeAl界面影响的计算结果与分析

6.3 Cr2Al、Mo与Fe3Al界面的计算结果与分析

6.4本章小结

第7章 Cr、Mo对FeAl/Fe3Al界面结合以及电子结构的影响

7.1引言

7.2计算方法与计算模型

7.3计算结果与分析

7.4本章小结

第8章 结论与展望

8.1结论

8.2主要创新点

8.3展望

参考文献

在学期间的研究成果及发表的学术论文

致谢

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摘要

Fe-Al金属间化合物具有优良的耐热腐蚀、冲蚀以及抗高温氧化性能,且其以Fe、Al这两个工业上最常用的金属为基本成分,因此与其它金属间化合物相比,还具有成本低廉的优势。作为结构材料,Fe-Al金属间化合物被研究已有数十年,然而其在工业化应用方面始终未有显著突破。鉴于其具有的诸多优异性能,我国对 Fe-Al金属间化合物的基础研究及材料开发具有重要的现实意义。改善室温脆性是Fe-Al金属间化合物应用于工程材料所要解决的重要课题。
  本文采用基于密度泛函理论以及固体与分子经验电子理论,从固溶强化、晶界偏析以及相界面强化的角度,系统研究了Cr、Mo对B2型FeAl以及DO3型Fe3Al的强韧性作用机制,主要研究内容如下:
  (1)基于密度泛函理论,分别研究了合金元素Cr、Mo在B2-FeAl和DO3-Fe3Al晶胞内置换固溶时,Cr、Mo对FeAl以及Fe3Al结构稳定以及弹性性质的影响及其微观机理。结果显示Cr、Mo均优先替代FeAl及Fe3Al中的Al原子,合金元素的添加有提升FeAl和Fe3Al强度和塑性的作用,而Mo的这种作用更强。Cr、Mo的添加增强Fe-Al强度和塑性的原因是分别加入这两种合金元素均增加了FeAl和Fe3Al中原子间的结合能力,从而提高了FeAl及Fe3Al的稳定性。
  (2)基于固体与分子经验电子理论,采用自主开发的键距差计算和分析系统,分别研究了合金元素Cr、Mo固溶对B2-FeAl和DO3-Fe3Al价电子结构及塑性的影响,根据Cr、Mo添加后FeAl及Fe3Al的三元合金体系中晶格电子数和共价键电子对数的增加,分析表明Cr、Mo均有提高FeAl及Fe3Al塑性和结构稳定性的作用。
  (3)研究Cr、Mo分别处于FeAl∑3(110)晶界及Fe3Al∑5(012)晶界时,对晶界稳定及偏析行为的影响,结果显示Cr、Mo偏聚于FeAl晶界和Fe3Al晶界的体系均稳定,且这两种元素均优先替代Al原子,Cr和Mo分别对FeAl晶界和Fe3Al晶界起强化作用,Mo的强化效应更突出。电子结构显示Cr、Mo的添加,使Cr-d和Mo-d轨道电子也参与了FeAl晶界和Fe3Al晶界体系的轨道电子杂化,以及增加合金元素与Fe、Al间的电荷密度,因此增强了FeAl晶界和Fe3Al晶界体系中原子的结合能力。
  (4)研究Cr2Al相和Mo相分别对FeAl以及Fe3Al相界面结合能力和电子结构的影响,确定了FeAl/Cr2Al、FeAl/Mo以及Fe3Al/Cr2Al、Fe3Al/Mo相界面的稳定结构。结果表明Cr2Al、Mo均对FeAl相界起强化作用,且Cr2Al的强化效应非常明显,Cr2Al、Mo对FeAl相界面的强化效应可归因于FeAl/Cr2Al界面处Cr、Al与Fe间电子排布形态与FeAl/FeAl界面处不同,其电子云的方向性变得不明显;而在 FeAl/Mo界面处,Mo-Fe和 Mo-Al间的电子云方向性较FeAl/FeAl界面处减弱。Mo对Fe3Al相界面起强化作用,而Cr2Al则使Fe3Al相界面发生弱化,这是由于Fe3Al/Cr2Al界面处的Cr-Fe与Al-Fe间的电荷密度与Fe3Al/Fe3Al界面处Fe-Al间的电荷密度基本保持不变,而界面的宽度明显增加;而Fe3Al/Mo与Fe3Al/Fe3Al界面相比界面宽度基本保持不变,而Fe3Al/Mo界面处Mo-Fe间的电荷密度较Fe3Al/Fe3Al界面处Fe-Al间的电荷密度明显增加。
  (5)研究Cr、Mo在FeAl/Fe3Al相界面的占位,分析其对FeAl/Fe3Al相界面结合能及电子结构的影响。研究发现:Cr、Mo在FeAl/Fe3Al相界处,均优先替代Al原子的位置,替代后均显示对FeAl/Fe3Al相界面断裂强度有提升作用。分析电子态密度和电荷密度发现:Cr、Mo替代对FeAl/Fe3Al相界面断裂强度增大的影响可归因于Cr、Mo的添加均增加了FeAl/Fe3Al界面态密度的成键峰个数,分化了相界面的Al、Fe原子的态密度状态,且增加了 FeAl/Fe3Al相界面部分Cr-Fe和Cr-Al间以及Mo-Fe和Mo-Al间的电荷密度。

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