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

发布时间：2018-03-22 21:06

  本文选题：Fe-Al金属间化合物　切入点：密度泛函理论　出处：《南京航空航天大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【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Fe_3Al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-Fe_3Al晶胞内置换固溶时,Cr、Mo对FeAl以及Fe_3Al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Fe_3Al中的Al原子,合金元素的添加有提升FeAl和Fe_3Al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Fe_3Al中原子间的结合能力,从而提高了FeAl及Fe_3Al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-Fe_3Al价电子结构及塑性的影响,根据Cr、Mo添加后FeAl及Fe_3Al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Fe_3Al塑性和结构稳定性的作用。(3)研究Cr、Mo分别处于FeAl∑3(1 10)晶界及Fe_3Al∑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Fe_3Al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Fe_3Al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Fe_3Al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Fe_3Al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Fe_3Al相界面结合能力和电子结构的影响,确定了FeAl/Cr2Al、FeAl/Mo以及Fe_3Al/Cr2Al、Fe_3Al/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Fe_3Al相界面起强化作用,而Cr2Al则使Fe_3Al相界面发生弱化,这是由于Fe_3Al/Cr2Al界面处的Cr-Fe与Al-Fe间的电荷密度与Fe_3Al/Fe_3Al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Fe_3Al/Mo与Fe_3Al/Fe_3Al界面相比界面宽度基本保持不变,而Fe_3Al/Mo界面处Mo-Fe间的电荷密度较Fe_3Al/Fe_3Al界面处Fe-Al间的电荷密度明显增加。(5)研究Cr、Mo在FeAl/Fe_3Al相界面的占位,分析其对FeAl/Fe_3Al相界面结合能及电子结构的影响。研究发现:Cr、Mo在FeAl/Fe_3Al相界处,均优先替代Al原子的位置,替代后均显示对FeAl/Fe_3Al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/Fe_3Al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/Fe_3Al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/Fe_3Al相界面部分Cr-Fe和Cr-Al间以及Mo-Fe和Mo-Al间的电荷密度。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG131

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本文编号：1650387