纳米晶合金体系的热稳定性计算
发布时间：2021-03-27 18:45
为研究纳米晶合金体系的热稳定性,采用第一性原理和热力学计算相结合的方法建立了多尺度耦合模型,可同时考虑在添加元素、溶质浓度、晶粒尺寸和温度等变量共同作用下纳米晶合金体系的热力学性质.研究获得了金属化合物和固溶体合金中纳米晶组织失稳的临界条件和热稳定性调控参量.针对纳米晶金属化合物体系,预测了热失稳临界晶粒尺寸及其影响机制.针对纳米晶固溶体合金偏聚体系,揭示了初始晶粒尺寸和溶质浓度对合金热稳定性的双重调控机制.实验结果证实了模型的合理性,制备获得了具有高热稳定性的系列纳米晶合金材料.
【文章来源】：北京工业大学学报. 2020,46(06)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
不同温度下纳米晶Li2C2金属化合物体系晶界
计算结果可知晶界区域松位(位点2)为溶质易偏聚位点. 4类位点下偏聚能随溶质浓度变化均呈现出非单调变化规律,偏聚能曲线具有极大值规律,此时对应的溶质浓度为0.23. 在溶质浓度逐渐增大至0.23的过程中,溶质偏聚能增加,体系的溶质偏聚能力削弱. 但当溶质浓度高于临界值0.23后,体系的溶质偏聚能陡降,这说明进一步增加溶质浓度利于溶质的晶界偏聚行为. 模型计算发现了弱偏聚Cu-Zn体系中晶界偏聚能随溶质浓度的非单调变化特征,这说明溶质浓度是影响溶质偏聚程度的重要因素之一,将其纳入模型变量之一对后续分析体系自由能变化和热稳定性具有重要的意义,同时也说明纳米晶固溶体体系中可能存在溶质浓度的调控机制以增强体系的热稳定性,具体结果将在下文详细阐述.图3(b)进一步展示了给定温度下晶界形成能随溶质浓度和晶粒尺寸的三维变化关系. 绿色区域为晶界形成能的负值区域,根据式(14)(16)可知此时纳米晶合金体系相比同成分的粗晶体系具有更低的界面能量状态. 在1 000 K的较高温度下,通过溶质浓度和晶粒尺寸的双重调控仍存在晶界形成能的负值区域,这表明即使是溶质偏聚趋势较小的弱偏聚合金体系,通过合适的调控机制也可在中高温段有效获得具有高热稳定性的纳米晶固溶体体系.
根据α-Li2C2晶体结构数据获得第一性原理晶胞计算模型,再结合构建的多尺度模型方法,可同时获得纳米晶Li2C2体系的电子结构和热力学性质. 如图1(a)所示的电荷密度可知,Li2C2体系存在较复杂的键合关系,同时具有C—C共价键和C—Li离子键2种键合方式. 另一方面,如图1(b)所示, 模型计算获得了不同温度下的晶界负压. 由于晶粒尺寸与过剩体积通常具有反相关关系,图1(b)中过剩体积越大其晶界负压的绝对值越大,这表明负压效应随着晶粒尺寸的减小而增加. 此外,晶界负压效应随着温度的升高而降低,并在较高温度时出现晶界负压的非单调变化趋势.图2计算得到了不同温度下纳米晶Li2C2晶界自由能随过剩体积的变化关系. 当温度增加到室温300 K时自由能曲线开始出现极大值点,此时对应临界晶粒尺寸约7 nm,临界晶粒尺寸随着温度的增加而增大. 晶界吉布斯自由能出现非单调变化后,当过剩体积小于临界过剩体积时,此时对应的晶粒尺寸大于临界晶粒尺寸,在该晶粒尺寸范围内晶界吉布斯自由能将随着晶粒尺寸的增加而降低,因此较大晶粒尺寸的体系具有更低的能量状态,纳米晶体系易于发生粗化现象以获得更低的体系能量状态. 但当过剩体积大于临界过剩体积时,此时晶粒尺寸小于临界晶粒尺寸,在该晶粒尺寸范围下晶粒尺寸较小的纳米晶体系其能量状态反而更低,即较小晶粒尺寸的纳米晶体系具备更高的热稳定性,此时可有效抑制晶粒粗化现象.
【参考文献】：
期刊论文
[1]A strategy for designing stable nanocrystalline alloys by thermo-kinetic synergy[J]. H.R.Peng,B.S Liu,F.Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2020(08)
[2]Thermodynamic Properties of Nanograin Boundary and Thermal Stability of Nanograin Structure[J]. Jun Wei,Xiaoyan Song,Qingchao Han and Lingmei Li College of Materials Science and Engineering,Key Laboratory of Advanced Functional Materials,Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China. Journal of Materials Science & Technology. 2009(04)
博士论文
[1]纳米晶合金晶粒组织和物相稳定性的第一性原理计算研究[D]. 唐法威.北京工业大学 2018
本文编号：3104014
【文章来源】：北京工业大学学报. 2020,46(06)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
不同温度下纳米晶Li2C2金属化合物体系晶界
计算结果可知晶界区域松位(位点2)为溶质易偏聚位点. 4类位点下偏聚能随溶质浓度变化均呈现出非单调变化规律,偏聚能曲线具有极大值规律,此时对应的溶质浓度为0.23. 在溶质浓度逐渐增大至0.23的过程中,溶质偏聚能增加,体系的溶质偏聚能力削弱. 但当溶质浓度高于临界值0.23后,体系的溶质偏聚能陡降,这说明进一步增加溶质浓度利于溶质的晶界偏聚行为. 模型计算发现了弱偏聚Cu-Zn体系中晶界偏聚能随溶质浓度的非单调变化特征,这说明溶质浓度是影响溶质偏聚程度的重要因素之一,将其纳入模型变量之一对后续分析体系自由能变化和热稳定性具有重要的意义,同时也说明纳米晶固溶体体系中可能存在溶质浓度的调控机制以增强体系的热稳定性,具体结果将在下文详细阐述.图3(b)进一步展示了给定温度下晶界形成能随溶质浓度和晶粒尺寸的三维变化关系. 绿色区域为晶界形成能的负值区域,根据式(14)(16)可知此时纳米晶合金体系相比同成分的粗晶体系具有更低的界面能量状态. 在1 000 K的较高温度下,通过溶质浓度和晶粒尺寸的双重调控仍存在晶界形成能的负值区域,这表明即使是溶质偏聚趋势较小的弱偏聚合金体系,通过合适的调控机制也可在中高温段有效获得具有高热稳定性的纳米晶固溶体体系.
根据α-Li2C2晶体结构数据获得第一性原理晶胞计算模型,再结合构建的多尺度模型方法,可同时获得纳米晶Li2C2体系的电子结构和热力学性质. 如图1(a)所示的电荷密度可知,Li2C2体系存在较复杂的键合关系,同时具有C—C共价键和C—Li离子键2种键合方式. 另一方面,如图1(b)所示, 模型计算获得了不同温度下的晶界负压. 由于晶粒尺寸与过剩体积通常具有反相关关系,图1(b)中过剩体积越大其晶界负压的绝对值越大,这表明负压效应随着晶粒尺寸的减小而增加. 此外,晶界负压效应随着温度的升高而降低,并在较高温度时出现晶界负压的非单调变化趋势.图2计算得到了不同温度下纳米晶Li2C2晶界自由能随过剩体积的变化关系. 当温度增加到室温300 K时自由能曲线开始出现极大值点,此时对应临界晶粒尺寸约7 nm,临界晶粒尺寸随着温度的增加而增大. 晶界吉布斯自由能出现非单调变化后,当过剩体积小于临界过剩体积时,此时对应的晶粒尺寸大于临界晶粒尺寸,在该晶粒尺寸范围内晶界吉布斯自由能将随着晶粒尺寸的增加而降低,因此较大晶粒尺寸的体系具有更低的能量状态,纳米晶体系易于发生粗化现象以获得更低的体系能量状态. 但当过剩体积大于临界过剩体积时,此时晶粒尺寸小于临界晶粒尺寸,在该晶粒尺寸范围下晶粒尺寸较小的纳米晶体系其能量状态反而更低,即较小晶粒尺寸的纳米晶体系具备更高的热稳定性,此时可有效抑制晶粒粗化现象.
【参考文献】：
期刊论文
[1]A strategy for designing stable nanocrystalline alloys by thermo-kinetic synergy[J]. H.R.Peng,B.S Liu,F.Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2020(08)
[2]Thermodynamic Properties of Nanograin Boundary and Thermal Stability of Nanograin Structure[J]. Jun Wei,Xiaoyan Song,Qingchao Han and Lingmei Li College of Materials Science and Engineering,Key Laboratory of Advanced Functional Materials,Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China. Journal of Materials Science & Technology. 2009(04)
博士论文
[1]纳米晶合金晶粒组织和物相稳定性的第一性原理计算研究[D]. 唐法威.北京工业大学 2018
本文编号：3104014
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