NbCr2和HfCr2的广义层错能和位错性质研究

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Laves相铬基合金化合物由于其优良的物理和化学特性,被认为是潜在的高温结构材料,其拓扑密排的结构,使其宏观上表现为高硬度、高熔点,很好的耐腐蚀性、抗蠕变、抗氧化能力,这些优异的高温性能使得其具有很好发展前景。然而和其它合金化合物一样,其显著的室温脆性极大的限制了它的发展。因此提高其塑性十分有必要。为了进一步改善其室温脆性,合金化被认为是一条重要的途径。通过添加其它金属元素来改变Laves相铬基合金化合物的电子的浓度、晶体结构、形成空位、晶格畸变,从而引起相变、改变其形变方式,化合键特性等,来提高其韧性。通常,室温脆性跟材料的塑性形变相关,而塑性形变又受位错等微观缺陷结构控制。因此研究合金化化合物的微观缺陷结构来了解其塑性形变机制和相关力学性质,从而提高其塑性。本文利用第一性原理方法计算C14、C15 Laves相合金化合物NbCr2和HfCr2的弹性常数,讨论了其力学性能,以及在NbCr2和HfCr2掺入过渡金属元素(V、Zr、Mo、Ta和W)对其广义层错能和位错性质的影响。具体内容如下:(1)通过第一性原理计算了C15 Laves相NbCr2和HfCr2沿1/2<110>{111}滑移和沿1/6<112>{111}协同滑移两种路径的广义层错能曲线,基于计算得到的广义层错能,我们讨论了其形变机制,明确了沿1/6<112>{111}滑移为能量更优路径。基于Griffith断裂理论计算的解理能和不稳定层错能引入了关于脆塑性行为的Rice判据,研究掺杂浓度为2.8 at.%的过渡金属元素对NbCr2和HfCr2脆塑性的影响。结果表明NbMo、HfTa和HfW能提高NbCr2和HfCr2的塑性。利用Foreman方法求解修正的P-N位错方程得NbCr2和HfCr2掺杂前后晶体中1/6<112>{111}刃位错、螺位错、混合位错的芯结构和Peierls应力,并讨论掺杂元素对位错芯结构以及Peierls应力的影响。发现,刃位错的芯宽度比螺位错的芯宽度大,而刃位错的Peierls应力比螺位错的Peierls应力小,表明移动刃位错要比移动螺位错容易,致使其刃位错的芯宽度大于螺位错的芯宽度。而且NbMo和HfTa、HfW分别增大了NbCr2和HfCr2的芯宽度而减小了Peierls应力。(2)基于协同剪切机制建立了C14 Laves相的滑移模型和形成本征层错的模型。通过第一性原理计算得到了C14 Laves相NbCr2和HfCr2沿1/3<1010>{0001}广义层错能曲线。理想的C14相结构经协同剪切过程,完整的C14相结构中出现了部分C15相结构。利用基于表面能和不稳定层错能的Rice判据讨论了掺杂浓度为3.3 at.%的过渡金属元素对NbCr2和HfCr2脆塑性的影响。结果表明NbMo、HfTa和HfW能提高Nb Cr2和HfCr2的塑性。由得到的isfg都为负值,表明C15Laves相比C14Laves相更稳定。利用Foreman方法求解修正的P-N位错方程,得到NbCr2和HfCr2掺杂前后的晶体中1/3<1010>{0001}的刃位错的芯结构和Peierls应力。结果表明,NbMo和HfTa、HfW同样分别增大了NbCr2和HfCr2的芯宽度而减小了Peierls应力。
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