Fe-25Mn合金的力学性能和电子结构的第一性原理计算
发布时间：2021-08-31 19:49
以Fe-25Mn合金为基础添加不同的合金元素,可获得具有优良力学性能的孪晶诱导塑性钢。通过基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法计算了Fe-25Mn合金的晶格常数、力学性能、电子结构。结果表明:Fe-25Mn合金满足力学稳定性条件,可稳定存在;该合金具有微弱的磁性,总磁距为1.192 hbar。电荷密度则主要集中在Mn原子和离Mn原子最近的Fe原子,Fe原子和Mn原子的分波态密度有明显共振,这说明了Fe-Mn原子之间结合较好。
【文章来源】：热加工工艺. 2020,49(18)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
Fe-25Mn合金的超晶胞模型
体系能量越低，结构越稳定。对于面心立方的Fe晶胞，置换固溶的Mn原子可在晶胞的顶角位置和面心位置，经过计算，位于顶角位置的能量高于位于面心位置的能量，即置换固溶的Mn原子位于晶胞的面心位置。当晶体能量趋近于最低值时的晶格常数则为平衡常数，Fe-25Mn晶格常数与能量的关系经二次拟合后的曲线如图2所示。结构优化后的Fe-25Mn合金的晶格常数为3.58魡，与查询文献得到的结果相差不大[17]，说明此计算方法是可行的。2.2 力学性能
图3的分态密度图显示了Fe-25Mn合金的成键电子主要分布在-6.0～2.0e V。在-6～0.2e V区域内的态密度主要由Fe原子上的d轨道原子贡献，导带则是由Mn原子贡献。在费米能级下的成键峰多于费米能级上的，也就是说该合金在费米能级以下有较多价电子，这有利于结构稳定和使原子之间的结合能力增强。晶体的总态密度图上下两部分几乎对称，因此体系的磁性较小，呈现出顺磁性。两种原子的分波态密度不对称，即在Fe-25Mn合金中两种原子单独都具有较强磁性，Mn固溶于金属Fe中后，两种原子相互作用使得各个原子的磁矩互相抵销，总体呈现顺磁性。两种原子的态密度主要由d轨道上的电子提供，因为这两元素都是金属元素，d轨道上的电子处于高能级。而其他轨道上的电子几乎不提供能态密度。Fe和Mn原子d轨道上的电子相互作用明显，这对其结合成键有重要作用[19]。在态密度图上的费米能级附近有一个2 e V左右的赝能隙的波谷，但是此区域的态密度并不为零而且较窄，因此合金的金属性很强。在费米能级以上区域的电子能量较高，但是数量较少，也就是说价电子较少，晶体内部成键为金属键，导电性很强。总体来说合金呈现出较强的过渡金属的性质，使得合金的化学性质稳定。由图3的分态密度图可见，两种原子的态密度的值大小不同，但是图线形状较为相似，存在同一能级上共振的情况。这说明两种元素电子性质相似，Mn原子能很好地固溶在Fe晶体中，形成性能良好的合金。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TWIP钢的价电子理论[J]. 阳义,李春福,李锡平,胡志强. 物理测试. 2013(06)
[2]Fe-X（Mn,Si）合金稳定性和弹性性能的第一性原理研究[J]. 户秀萍,张彩丽,王小宏,张齐娜,董楠,韩培德. 太原理工大学学报. 2013(06)
[3]新型生物可降解Fe-30Mn-1C合金的性能研究[J]. 徐文利,陆喜,谭丽丽,杨柯. 金属学报. 2011(10)
[4]High-Strength and High-Plasticity TWIP Steel for Modern Vehicle[J]. Zhenli MI, Di TANG, Ling YAN and Jin GUO National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China. Journal of Materials Science & Technology. 2005(04)
本文编号：3375510
【文章来源】：热加工工艺. 2020,49(18)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
Fe-25Mn合金的超晶胞模型
体系能量越低，结构越稳定。对于面心立方的Fe晶胞，置换固溶的Mn原子可在晶胞的顶角位置和面心位置，经过计算，位于顶角位置的能量高于位于面心位置的能量，即置换固溶的Mn原子位于晶胞的面心位置。当晶体能量趋近于最低值时的晶格常数则为平衡常数，Fe-25Mn晶格常数与能量的关系经二次拟合后的曲线如图2所示。结构优化后的Fe-25Mn合金的晶格常数为3.58魡，与查询文献得到的结果相差不大[17]，说明此计算方法是可行的。2.2 力学性能
图3的分态密度图显示了Fe-25Mn合金的成键电子主要分布在-6.0～2.0e V。在-6～0.2e V区域内的态密度主要由Fe原子上的d轨道原子贡献，导带则是由Mn原子贡献。在费米能级下的成键峰多于费米能级上的，也就是说该合金在费米能级以下有较多价电子，这有利于结构稳定和使原子之间的结合能力增强。晶体的总态密度图上下两部分几乎对称，因此体系的磁性较小，呈现出顺磁性。两种原子的分波态密度不对称，即在Fe-25Mn合金中两种原子单独都具有较强磁性，Mn固溶于金属Fe中后，两种原子相互作用使得各个原子的磁矩互相抵销，总体呈现顺磁性。两种原子的态密度主要由d轨道上的电子提供，因为这两元素都是金属元素，d轨道上的电子处于高能级。而其他轨道上的电子几乎不提供能态密度。Fe和Mn原子d轨道上的电子相互作用明显，这对其结合成键有重要作用[19]。在态密度图上的费米能级附近有一个2 e V左右的赝能隙的波谷，但是此区域的态密度并不为零而且较窄，因此合金的金属性很强。在费米能级以上区域的电子能量较高，但是数量较少，也就是说价电子较少，晶体内部成键为金属键，导电性很强。总体来说合金呈现出较强的过渡金属的性质，使得合金的化学性质稳定。由图3的分态密度图可见，两种原子的态密度的值大小不同，但是图线形状较为相似，存在同一能级上共振的情况。这说明两种元素电子性质相似，Mn原子能很好地固溶在Fe晶体中，形成性能良好的合金。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TWIP钢的价电子理论[J]. 阳义,李春福,李锡平,胡志强. 物理测试. 2013(06)
[2]Fe-X（Mn,Si）合金稳定性和弹性性能的第一性原理研究[J]. 户秀萍,张彩丽,王小宏,张齐娜,董楠,韩培德. 太原理工大学学报. 2013(06)
[3]新型生物可降解Fe-30Mn-1C合金的性能研究[J]. 徐文利,陆喜,谭丽丽,杨柯. 金属学报. 2011(10)
[4]High-Strength and High-Plasticity TWIP Steel for Modern Vehicle[J]. Zhenli MI, Di TANG, Ling YAN and Jin GUO National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China. Journal of Materials Science & Technology. 2005(04)
本文编号：3375510
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