多元合金电子、原子层次理论计算及其应用

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1、http://www.paper.edu.cn多元合金的电子、原子层次的理论计算及其应用马永庆，王逊,刘艳侠,戴玉梅，张洋大连海事大学机电与材料工程学院(116026)email:myq@newmail.dlmu.edu.cn摘要：本文是在电子、原子层次上进行多元合金设计的一个初步探索，研究表明，由原子间相互作用势计算确定合适的基体成分，选择尝试的合金总成分，通过经验公式计算碳化物体积分数，取得与合适的相结构对应的合金总成分,由试验检验设计的合理性。这样的一种思路是可行的。关键词:第一原理;相互作用势;多元合金;合金设计中图分类号：1．

2、引言目前从电子、原子层次上进行材料设计是材料科学领域的学者们广泛关注的热点问题，主要研究方法有第一性原理方法，第一性原理赝势方法，原子间相互作用势方法，分子力学方法，分子动力学方法及蒙特卡罗方法等。其中前两种方法是在电子层次上进行材料设计的方法，其方法的物理基础可靠，但由于计算工作量很大，因而所计算的体系受到一定的限制。后几种方法是在原子及分子层次上的设计方法，这几种方法不考虑电子结构的影响，虽然会损失一些精度，但大体上反映出由相互作用势所决定的晶体结构，以及由晶体结构所决定的[1]材料性质，且计算速度明显提高。本文在多元合金的电子、原

3、子层次的理论计算上联合使用了第一性原理方法和原子间相互作用势方法，根据3种系列合金的关键问题进行理论计算并结合其他理论计算和经验计算进行了合金设计探讨。2．Fe-Cr-Mn-C系亚稳奥氏体基铸造合金Fe-Cr-Mn-C系亚稳奥氏体基铸造合金有优异的耐磨性和高的抗冲刷腐蚀能力。其合金设计的关键理论问题是B对该多元合金奥氏体体系的影响，以及对含B多元合金奥氏体电子、原子层次的计算研究。通过对奥氏体合金大体系的能量计算，既可以解释B元素在奥氏体中占位、分布、固溶度、与C的替代作用、与其他合金元素的配合对奥氏体的影响，[2]又可进而解释B对摩擦

4、诱发马氏体相变的作用。Fe-Cr-Mn-C-B系铸造合金一般为基体（奥氏体或马氏体）和碳硼化物组成的双相系统，其中C元素和B元素在奥氏体基体中的作用对合金材料的性能有重要影响。C在奥氏体中的固溶度和占位已很清楚，而B的固溶度和占位还不很清楚，采用量子化学从头计算方法，通过对含C、B的奥氏体小团簇电子结构计算，来研究B在奥氏体中的固溶度和占位情况。团簇的选取以从奥氏体的实测晶格结构出发，从中选取奥氏体中的八面体和四面体小团簇。并在团簇中心分别加入一个B或C原子，计算团簇的结合能，见表1。由表1可见奥氏体中Fe4四面体团簇的原子平均结合能略

5、大于Fe6八面体的，因为八面体中存在距离较远的三对原子，使结合能降低。B和C均使四面体体积增大很多（棱长增加34.2%），使结合能降低，表明它们在四面体间隙存在的可能性很小，尤其是B更小。B使八面体的体积增大（棱长增加16.2%），结合能略有升高；在体积不变时，C使八面体的结合能略有降低，表明C在奥氏体八面体间隙中的溶解度要远大于B。表1量子化学从头算合金小团簇的电子结构计算结果团簇结构类型棱长(nm)总结合能(eV)原子平均结合能(eV)-1-http://www.paper.edu.cnFe6正八面体(γ)0.257809.9231

6、43111.653857185Fe6C填隙正八面体(γ)0.257809.4640014591.352000208Fe6B填隙正八面体(γ)0.2996711.884608191.69780117Fe4正四面体(γ)0.257806.6388540691.659713517Fe4四面体(α')0.28670,0.248296.1619598851.540489971Fe4B填隙正四面体(γ)0.346032.1060521260.421210425Fe4C填隙正四面体(γ)0.346037.2258427451.445168549Fe4

7、C填隙四面体(α')0.28670,0.248293.615168160.723033632采用量子化学从头计算精确处理含B小团簇，以半经验原子间相互作用对势处理大团簇，研究含微量B元素的合金奥氏体大体系。对含微量元素小团簇进行局部精确计算，对大团簇采用低精度的计算方法，既能反映微量元素的作用，也使电子、原子层次的计算处理多元合金大体系成为现实。应用量子化学从头计算方法对含B、C奥氏体大体系进行局部精确计算，计算结果：B在八面体间隙中的原子平均结合能为1.6978eV，最近键距为0.29967nm；C在八面体间隙中的原子平均结合能为1.

8、3520eV，最近键距为0.25780nm；每个八面体间隙B原子使奥氏体Fe团簇总结合能降低116.91443eV，每个C原子使小团簇总结合能降低0.459142eV，B原子对奥氏体能量的影响是C原子的25