材料中廣泛存在的晶界會對其性質會產(chǎn)生重要的影響。晶界偏析工程的目標是通過往材料晶界上引入摻雜,改變晶界的結構和化學組成,實現(xiàn)對材料微觀結構和性質的調控。但晶界偏析工程涉及的合金體系龐大,已報道的研究結果離散,難以總結系統(tǒng)規(guī)律。此外,目前測試技術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,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。晶界能量隨著非金屬原子半徑增加而降低。結合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度的影響和機理,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化/脆化作用的關鍵因素。結果表明:B與Cu之間共價作用能使晶界拉伸強度增加1%,O與Cu之間強極性作用使拉伸強度下降12%�；谠刂芷诒黼娮咏Y構分區(qū),構建了s區(qū)、p區(qū)和d區(qū)金屬元素摻雜的Cu晶界模型...

【文章頁數(shù)】：125 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖1-1材料中晶界和晶粒內部結構的體積分數(shù)與晶粒大小的關系

2晶粒之間的界面，叫晶界（Grainboundary）[5]。晶界的物理結構和化學性質，影響甚至決定著材料在工程應用中的諸多關鍵性能，比如：屈服強度、硬度、斷裂韌性、延展性、抗蠕變能力、熱穩(wěn)定性、導電率、導熱率、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金屬材料中屈服應力和晶粒大小關系

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

圖1-3納米金屬Cu及Cu基合金的失效應變和屈服強度關系[9]

5圖1-3納米金屬Cu及Cu基合金的失效應變和屈服強度關系[9]Figure1-3TheRelationshipbetweenthestrain-to-failureandyieldstrengthfornanocrystallineCuandCu-basedalloys[9].....

圖1-4金屬和合金材料中常見的晶界結構

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、雙層和三層結構的晶界結構的形成能，結果發(fā)現(xiàn)雙層晶界結構的形成能最低，說明雙層晶界結構最穩(wěn)定。上面討論的體系中，金屬摻雜的含量相對較低，因此，形成的晶界結構處于有序的狀態(tài)。當摻雜濃度進一步增加，晶界的有....

本文編號：4027731