稀土元素掺杂α-Fe的第一性原理研究

发布时间：2021-08-24 01:47

　　钢铁材料因其优异的性能和低廉的成本,是目前应用最为广泛的结构材料,如何提升其性能是近年来钢铁材料领域研究的热点问题之一。众所周知,钢铁材料中添加少量的稀土元素即可大幅度地提升其性能,但目前对其具体的作用机理缺乏微观原子尺度上的认识。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了17种稀土元素掺杂对α-Fe的结构、稳定性和力学性能的影响,此外还对目前稀土钢中常见的Fe-Ce金属间化合物的结构和性能进行了计算,为新型稀土钢的研发提供一定的参考。固溶焓的计算结果表明,在0 K下所有的稀土元素均不能自发地固溶于α-Fe中,其中Sc元素的固溶能力相对最强,Pr元素的固溶能力相对最差。从结合能的计算结果可知,Ce元素掺杂后体系稳定性相对最强,而Er和Yb元素掺杂后体系的稳定性相对较差,表明在所有的Fe-RE化学键中Fe-Ce键最强,Fe-Er键和Fe-Yb键相对较弱。稀土元素掺杂对α-Fe力学性能的影响可从弹性和塑性两个方面进行评估。首先根据应力-应变法对固溶体的单晶独立弹性常数进行计算,在此基础上根据V-R-H近似可得到其多晶弹性模量。计算结果表明,稀土元素掺杂均会降低α-Fe的弹性常数和弹性模... 

【文章来源】：河南理工大学河南省

【文章页数】：91 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

计算材料学中的典型模拟方法所对应的空间和时间尺度示意图

（1）第一章介绍了研究的背景及目前国内外的研究现状，对稀土钢的基本情况及本文的研究目的进行了基本的介绍。（2）第二章介绍了计算相关的理论基础，主要介绍了密度泛函理论和计算所用到的一系列的近似，并对本文计算所用的 VASP 软件进行了简单的介绍。（3）第三章对稀土原子在 α-Fe 中的固溶情况进行了研究，主要从固溶焓和结合能两个角度进行研究，并借助电子结构（态密度）进行了一定的分析。（4）第四章主要研究了稀土元素掺杂对 α-Fe 弹性性能的影响，计算了稀土元素掺杂对 α-Fe 弹性常数、弹性模量、延展性和脆韧性的影响。（5）第五章研究了稀土元素掺杂对 α-Fe 塑性变形的影响，塑性变形可由广义层错能进行表征，计算了稀土元素掺杂对广义层错能曲线的影响。（6）第六章对两种 Fe-Ce 二元金属间化合物 CeFe2和 Ce2Fe17的热物性参数进行了计算。（7）第七章对全文进行了总结并对后序的工作进行了一定的展望。具体计算内容的详细流程图如图 1-2 所示。

图 2-1 第一性原理从头算原子赝势方法示意图 Schematic of first-principles ab initio pseudopotentia过第一性原理方法来进行构建，其基本思想用一个有效势取代由原子核和芯电子造成的几个方面的要求。其一，取代后价电子轨道该一致；其二，边界处波函数及其一阶微分，对赝势原子和全电子原子在中心区内的所综上所述，赝势必须满足模守衡。Bachelet 等元素的模守恒赝势，然而模守恒赝势函数在周期表中第一周期元素和过渡族元素时往往。为了解决这个问题，Vanderbilt 进一步发展内的电荷是由较硬的缀加函数和较软的价态函数的标准，超软赝势能够通过较少数量的


本文编号：3359028