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材料导报 2022年第11期36卷 155-160页

作者：李亚敏张瑶瑶周生睿刘洪军兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050

采用第一性原理和实验相结合的方法探究了al和fe掺杂对Cr20Ni80电热合金弹性性能和电性能的影响。构建了Cr20Ni80超晶胞模型,确定了al和fe在超晶胞中的占位,并对模型的准确性进行了验证,计算了体系掺杂前后的形成热、结合能及能带结构,... 详细信息

采用第一性原理和实验相结合的方法探究了al和fe掺杂对Cr20Ni80电热合金弹性性能和电性能的影响。构建了Cr20Ni80超晶胞模型,确定了al和fe在超晶胞中的占位,并对模型的准确性进行了验证,计算了体系掺杂前后的形成热、结合能及能带结构,预测了al和fe掺杂对合金性能的影响趋势,并采用拉伸试验、X射线衍射以及电阻率测试等方法进行了验证。结果表明,al和fe的掺杂没有改变合金的物相,但导致合金的晶格发生了畸变,原子之间电子云的重新分布降低了合金的强度但提高了其塑性;掺杂使合金导带的能量范围变窄,合金的电阻增大。实验结果与第一性原理计算预测结果一致。

关键词： Cr20Ni80电热合金 al和fe掺杂第一性原理弹性性能电性能

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点缺陷对Cr20Ni80合金电性能和力学性能影响的第一性原理研究

点缺陷对Cr20Ni80合金电性能和力学性能影响的第一性原理研究

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作者：张瑶瑶兰州理工大学

学位级别：硕士

Cr20Ni80合金是一种电热合金,室温和高温下均为奥氏体,由于其电阻率高且稳定、力学性能优异、使用寿命长,在机械、冶金、军工等行业作为发热元件被广泛应用。点缺陷对合金的电性能和力学性能的影响很大,它的存在会破坏晶体点阵的周期性... 详细信息

Cr20Ni80合金是一种电热合金,室温和高温下均为奥氏体,由于其电阻率高且稳定、力学性能优异、使用寿命长,在机械、冶金、军工等行业作为发热元件被广泛应用。点缺陷对合金的电性能和力学性能的影响很大,它的存在会破坏晶体点阵的周期性,使得电子产生强烈散射,因而影响合金的电阻率,并且点缺陷会改变合金中原子间的键合强度,引起合金力学性能的变化。但是点缺陷只有原子尺度大小,很难通过实验进行直接观察,而第一性原理可通过建模直观地模拟和分析晶体中的缺陷,并且结果可信。基于此,本文采用第一性原理计算与实验相结合的方法研究点缺陷对Cr20Ni80合金电性能和力学性能的影响。第一性原理方面采用密度泛函理论具体分析有无缺陷时各体系的弹性性质及电子结构,从微观层面揭示点缺陷对Cr20Ni80合金的电性能及力学性能的影响机理;实验方面通过XRD、金相组织、室温拉伸及电阻测量等方法分析点缺陷对Cr20Ni80合金的物相、微观组织、力学性能及电阻率的影响。主要结论如下:成功构建了Cr20Ni80合金模型(NiCr)。当体系中掺杂al和fe时,al和fe均占据Ni位,能够提高体系的稳定性。弹性计算结果显示,掺杂使得各体系的体模量、杨氏模量和剪切模量减小,而泊松比的值增大,说明在掺杂后原子之间的刚度减弱、硬度减小,而塑性增强。能带计算结果表明,掺杂会提高合金的电阻。实验得出的结论与第一性原理计算的结果趋势一致,al和fe的加入会使得合金的电阻率增大,强度和硬度降低而塑性增加。合金导带部分的能量范围变窄,电子局域性增强是掺杂导致合金电阻率增大的根本原因。体系中原子之间的电子云重新分布,原子之间的键合强度也随之改变是掺杂导致合金力学性能变化的根本原因。因此,第一性原理计算结果从本质上揭示了置换缺陷对Cr20Ni80合金力学性能和电性能影响的机理。空位致使合金发生晶格畸变,稳定性降低。能带计算结果表明,空位的存在增大了合金的电阻率,但是6.25%Cr空位浓度的电阻率却比3.125%Cr空位时的电阻略有减小,而Ni空位则相反。弹性计算结果显示,空位的存在,均使得体系的刚度及硬度降低,塑性增强,仅在Ni空位浓度增大时,塑性略有降低。实验结果表明,随着空位浓度增加,电阻率增大,与第一性原理计算Ni空位浓度对电阻的影响趋势一致,这是由于空位浓度增加使得合金导带部分能量最高点的值减小,电子局域性增强,电子的有效质量增大造成的。室温拉伸结果表明,随着空位浓度的增大,合金的强度及硬度均降低,而塑性增强,与第一性原理计算中Cr空位浓度对合金力学性能的影响趋势一致,原子之间结合能力减弱、排斥力增强是导致合金力学性能变化的本质原因。当体系存在反位缺陷时,体模量、剪切模量和杨氏模量均有不同程度减小,塑性在Ni反位时有所减弱。分析能带结构同样得出反位缺陷使得合金电阻增大的结论。掺杂、空位和反位缺陷均能造成合金电阻增大,强度略微减小而塑性明显增强。

关键词： Cr20Ni80合金 al和fe掺杂空位及反位第一性原理计算电性能力学性能

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