PDF《！＂ 偏析 #$ 晶界结构的第一性原理计算 ！》

! 偏析 #$ 晶界结构的第一性原理计算! 刘利花 张颖吕广宏! 邓胜华 王天民 (北京航空航天大学理学院物理系, 北京 ###$%) (&

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日收到;

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日收到修改稿) 采用基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理赝势方法, 计算了纯 () 晶界和杂质 *+ 偏析 () 晶界的原 子结构和电子结构,结果表明 *+ 偏析引起了晶界膨胀和晶界处电子密度的大幅度降低, 从而导致晶界结合力的减 弱,这应为 *+ 杂质偏析引起的 () 晶界脆化的主要根源所在, 关键词:() 晶界,*+,杂质偏析,第一性原理计算 0# !国家自然科学基金 (批准号: 资助的课题, ! 12345): 67.

89:44, ? 引言许多实验研究表明杂质偏析会引起晶界脆化, 对金属材料的力学性能造成极大的影响, 常见的金 属晶界脆化如杂质 . 和@引起的 A;

晶界脆化、 杂质*引起的 B5 晶界脆化、 杂质 C5 引起的 D: 晶界脆 化以及液态杂质

74 引起的 () 晶界脆化等 [ ] , 晶界 脆化虽然是一个古老的问题, 但是其机理的研究依 然是目前重要的研究方向之一,近年来, 许多晶界脆 化方面的理论和实验研究力图揭示晶界脆化的物理 过程和微观机理 [&

―0] , A+;

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34>

小组基于 E5=;

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G 热力学模型 [-] , 应用第一性原理方法研究了多种杂 质在 A;

和B5 晶界中的作用 [H―$] , 研究表明, . 引起 的A;

和B5 的晶界脆化, 其根源是 . 偏析导致的晶 界结合性的减弱 ['

, $] , I434G:=J5 等[&

] 用第一性原理 方法研究了 * 引起的 B5 晶界脆化, 指出 * 偏析引起 了B5 晶界的强度降低, 从而导致了脆化, 关于 C5 引 起的 D: 晶界脆化的机理目前有两种观点, 一种观 点认为脆化的原因是 C5 偏析引起了近邻的 D:―D: 键的弱化 [%] ,另一种观点认为脆化主要是源于 C5 偏 析引起的 D: 晶界膨胀 [K] , 近年来, 由于超高纯度材料制备和材料中微量 元素测试技术的提高, 金属中极微量杂质对金属机 械性质的重要影响已经为人们所认识,研究表明, 极 微量的 B4, D4, * 和*+ 杂质 ( #L H 量级) 将导致铝合 金的高温脆化 [ #― %] ,通过俄歇能谱分析可以在晶界 的断面发现杂质 B4, D4, * 或*+ 的存在, 表明高温脆 化的原因是这些杂质在 () 晶界上的偏析, 我们已经 进行了部分杂质元素对 () 晶界作用的理论研究, 如 杂质 B4, D4, * 和74 对() 晶界的作用 [ 0―&

0] , 这些杂 质在 () 晶界偏析, 致使晶界处的价电子密度大幅度 降低, 晶界面原子间结合力减弱, 促进脆化, 我们发 现不同杂质偏析导致晶界结合力减弱的物理本质不 同,B4 和D4 因其价电子数目小于 (), 同时偏析造成 晶界膨胀, 因而导致晶界的结合力减弱 [ -, '

] , 造成晶 界强度的降低 [&

&

] , * 因其电子分布的特点, 只能与周 围两个原子形成强健, 造成界面键较弱 [ '

, $, &

%] ;

而74 则是因为电负性强于 (), 发生从 () 至74 的电荷 转移, 更多的

74 偏析会在晶界形成类!

274 异相结 构, 导致界面结合力减弱 [ K] , 但是 *+ 方面的工作还 未进行, *+ 偏析对于 () 晶界结构和力学性能的影响 尚不清楚, 晶界的原子结构和电子结构可以通过第一性原 理赝势方法计算得到 [ 0― K, &

-] , 本文应用第一性原理 赝势方法计算了纯 () 晶界和杂质 *+ 偏析 () 晶界的 原子结构和电子结构, 分析了 *+ 杂质偏析对 () 晶 界结构的影响, &