發(fā)布時間：2025-01-15 19:12

　　材料中廣泛存在的晶界會對其性質(zhì)會產(chǎn)生重要的影響。晶界偏析工程的目標(biāo)是通過往材料晶界上引入摻雜,改變晶界的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成,實現(xiàn)對材料微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的調(diào)控。但晶界偏析工程涉及的合金體系龐大,已報道的研究結(jié)果離散,難以總結(jié)系統(tǒng)規(guī)律。此外,目前測試技術(shù)和大尺度模擬方法很難在電子-原子等微觀尺度上研究晶界偏析問題,摻雜對晶界的影響機(jī)理還未被闡明。本文采用高通量第一性原理計算,以金屬Cu的Σ5(310)晶界為研究對象,系統(tǒng)研究了不同類型元素對晶界的摻雜效應(yīng),獲得的全面數(shù)據(jù)可以為實驗遴選合適摻雜元素提供理論依據(jù)。研究了非金屬元素的偏析能力以及對晶界性質(zhì)產(chǎn)生的影響,發(fā)現(xiàn)非金屬元素都傾向于偏析到材料的晶界,傾向于占據(jù)的位置與其原子半徑相關(guān)。晶界能量隨著非金屬原子半徑增加而降低。結(jié)合Rice-Wang脆化模型和第一性原理拉伸實驗研究了摻雜對晶界強(qiáng)度的影響和機(jī)理,發(fā)現(xiàn)非金屬元素與Cu之間的電子相互作用是造成晶界強(qiáng)化/脆化作用的關(guān)鍵因素。結(jié)果表明:B與Cu之間共價作用能使晶界拉伸強(qiáng)度增加1%,O與Cu之間強(qiáng)極性作用使拉伸強(qiáng)度下降12%。基于元素周期表電子結(jié)構(gòu)分區(qū),構(gòu)建了s區(qū)、p區(qū)和d區(qū)金屬元素?fù)诫s的Cu晶界模型...

【文章頁數(shù)】：125 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖1-1材料中晶界和晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)與晶粒大小的關(guān)系

2晶粒之間的界面，叫晶界（Grainboundary）[5]。晶界的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，影響甚至決定著材料在工程應(yīng)用中的諸多關(guān)鍵性能，比如：屈服強(qiáng)度、硬度、斷裂韌性、延展性、抗蠕變能力、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、電磁性能等[3,5-11]。圖1-1展示了材料的微觀組成中，晶界和晶....

圖1-2金屬材料中屈服應(yīng)力和晶粒大小關(guān)系

4圖1-2金屬材料中屈服應(yīng)力和晶粒大小關(guān)系Figure1-2Schematicrepresentationofthevariationofyieldstressasafunctionofthegrainsizeinmetals.金屬的延展性通常被定義為在拉伸應(yīng)力作用下，通過延伸而....

圖1-3納米金屬Cu及Cu基合金的失效應(yīng)變和屈服強(qiáng)度關(guān)系[9]

5圖1-3納米金屬Cu及Cu基合金的失效應(yīng)變和屈服強(qiáng)度關(guān)系[9]Figure1-3TheRelationshipbetweenthestrain-to-failureandyieldstrengthfornanocrystallineCuandCu-basedalloys[9].....

圖1-4金屬和合金材料中常見的晶界結(jié)構(gòu)

8第一性原理模擬，以Σ5晶界為研究對象，研究了Cu-Bi和Ni-Bi體系中單層、雙層和三層結(jié)構(gòu)的晶界結(jié)構(gòu)的形成能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙層晶界結(jié)構(gòu)的形成能最低，說明雙層晶界結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。上面討論的體系中，金屬摻雜的含量相對較低，因此，形成的晶界結(jié)構(gòu)處于有序的狀態(tài)。當(dāng)摻雜濃度進(jìn)一步增加，晶界的有....

本文編號：4027731