為研究納米晶合金體系的熱穩(wěn)定性,采用第一性原理和熱力學(xué)計(jì)算相結(jié)合的方法建立了多尺度耦合模型,可同時(shí)考慮在添加元素、溶質(zhì)濃度、晶粒尺寸和溫度等變量共同作用下納米晶合金體系的熱力學(xué)性質(zhì).研究獲得了金屬化合物和固溶體合金中納米晶組織失穩(wěn)的臨界條件和熱穩(wěn)定性調(diào)控參量.針對(duì)納米晶金屬化合物體系,預(yù)測(cè)了熱失穩(wěn)臨界晶粒尺寸及其影響機(jī)制.針對(duì)納米晶固溶體合金偏聚體系,揭示了初始晶粒尺寸和溶質(zhì)濃度對(duì)合金熱穩(wěn)定性的雙重調(diào)控機(jī)制.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了模型的合理性,制備獲得了具有高熱穩(wěn)定性的系列納米晶合金材料. 

【文章來(lái)源】：北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2020,46(06)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

不同溫度下納米晶Li2C2金屬化合物體系晶界

計(jì)算結(jié)果可知晶界區(qū)域松位(位點(diǎn)2)為溶質(zhì)易偏聚位點(diǎn). 4類位點(diǎn)下偏聚能隨溶質(zhì)濃度變化均呈現(xiàn)出非單調(diào)變化規(guī)律,偏聚能曲線具有極大值規(guī)律,此時(shí)對(duì)應(yīng)的溶質(zhì)濃度為0.23. 在溶質(zhì)濃度逐漸增大至0.23的過(guò)程中,溶質(zhì)偏聚能增加,體系的溶質(zhì)偏聚能力削弱. 但當(dāng)溶質(zhì)濃度高于臨界值0.23后,體系的溶質(zhì)偏聚能陡降,這說(shuō)明進(jìn)一步增加溶質(zhì)濃度利于溶質(zhì)的晶界偏聚行為. 模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)了弱偏聚Cu-Zn體系中晶界偏聚能隨溶質(zhì)濃度的非單調(diào)變化特征,這說(shuō)明溶質(zhì)濃度是影響溶質(zhì)偏聚程度的重要因素之一,將其納入模型變量之一對(duì)后續(xù)分析體系自由能變化和熱穩(wěn)定性具有重要的意義,同時(shí)也說(shuō)明納米晶固溶體體系中可能存在溶質(zhì)濃度的調(diào)控機(jī)制以增強(qiáng)體系的熱穩(wěn)定性,具體結(jié)果將在下文詳細(xì)闡述.圖3(b)進(jìn)一步展示了給定溫度下晶界形成能隨溶質(zhì)濃度和晶粒尺寸的三維變化關(guān)系. 綠色區(qū)域?yàn)榫Ы缧纬赡艿呢?fù)值區(qū)域,根據(jù)式(14)(16)可知此時(shí)納米晶合金體系相比同成分的粗晶體系具有更低的界面能量狀態(tài). 在1 000 K的較高溫度下,通過(guò)溶質(zhì)濃度和晶粒尺寸的雙重調(diào)控仍存在晶界形成能的負(fù)值區(qū)域,這表明即使是溶質(zhì)偏聚趨勢(shì)較小的弱偏聚合金體系,通過(guò)合適的調(diào)控機(jī)制也可在中高溫段有效獲得具有高熱穩(wěn)定性的納米晶固溶體體系.

根據(jù)α-Li2C2晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲得第一性原理晶胞計(jì)算模型,再結(jié)合構(gòu)建的多尺度模型方法,可同時(shí)獲得納米晶Li2C2體系的電子結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì). 如圖1(a)所示的電荷密度可知,Li2C2體系存在較復(fù)雜的鍵合關(guān)系,同時(shí)具有C—C共價(jià)鍵和C—Li離子鍵2種鍵合方式. 另一方面,如圖1(b)所示, 模型計(jì)算獲得了不同溫度下的晶界負(fù)壓. 由于晶粒尺寸與過(guò)剩體積通常具有反相關(guān)關(guān)系,圖1(b)中過(guò)剩體積越大其晶界負(fù)壓的絕對(duì)值越大,這表明負(fù)壓效應(yīng)隨著晶粒尺寸的減小而增加. 此外,晶界負(fù)壓效應(yīng)隨著溫度的升高而降低,并在較高溫度時(shí)出現(xiàn)晶界負(fù)壓的非單調(diào)變化趨勢(shì).圖2計(jì)算得到了不同溫度下納米晶Li2C2晶界自由能隨過(guò)剩體積的變化關(guān)系. 當(dāng)溫度增加到室溫300 K時(shí)自由能曲線開始出現(xiàn)極大值點(diǎn),此時(shí)對(duì)應(yīng)臨界晶粒尺寸約7 nm,臨界晶粒尺寸隨著溫度的增加而增大. 晶界吉布斯自由能出現(xiàn)非單調(diào)變化后,當(dāng)過(guò)剩體積小于臨界過(guò)剩體積時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸大于臨界晶粒尺寸,在該晶粒尺寸范圍內(nèi)晶界吉布斯自由能將隨著晶粒尺寸的增加而降低,因此較大晶粒尺寸的體系具有更低的能量狀態(tài),納米晶體系易于發(fā)生粗化現(xiàn)象以獲得更低的體系能量狀態(tài). 但當(dāng)過(guò)剩體積大于臨界過(guò)剩體積時(shí),此時(shí)晶粒尺寸小于臨界晶粒尺寸,在該晶粒尺寸范圍下晶粒尺寸較小的納米晶體系其能量狀態(tài)反而更低,即較小晶粒尺寸的納米晶體系具備更高的熱穩(wěn)定性,此時(shí)可有效抑制晶粒粗化現(xiàn)象.

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[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)

博士論文
[1]納米晶合金晶粒組織和物相穩(wěn)定性的第一性原理計(jì)算研究[D]. 唐法威.北京工業(yè)大學(xué) 2018



本文編號(hào)：3104014