铜合金中关键二元体系的热力学和力学性质的计算研究

摘要

铜基合金具有高强度、高硬度、易切削性、良好的耐磨性和抗腐蚀性。它被广泛的应用于电气工业，交通运输，轻工业，冶金工业，建筑材料等领域。而精确的热力学学性质和力学性质描述有助于设计铜合金材料。本论文以常见二元铜合金为研究对象，采用第一原理方法，研究了铜基化合物的基态性质，热力学性质和力学性质;同时研究了合金元素对铜基固溶体的力学性质和堆垛层错能的影响。本文的研究成果如下:
　　(1)采用物态方程拟合，研究了铜基化合物的晶体结构，形成焓，和电子结构基态性质。
　　(2)基于第一原理计算方法，在准谐近似下，采用德拜模型系统地研究纯元素和铜基化合物在有限温度下的热力学性质。
　　(3)采用应力应变方法研究了铜基化合物的力学性质。首先计算了铜基化合物的弹性常数，从而验证了晶体结构的力学稳定性，并由弹性常数计算了化合物的弹性性质。基于B/G比预测了化合物的脆性或韧性。
　　(4)采用应力应变方法，研究了合金元素对铜基固溶体的弹性性质的影响。计算得到了铜基固溶体的晶格常数和弹性常数，基于弹性常数给出了铜基固溶体的弹性性质。
　　(5)采用剪切应变方法研究了铜合金的固溶强化。计算了不同元素形成的铜基固溶体的堆垛层错能。分析了堆垛层错能随元素种类和含量变化的规律。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 第一原理计算方法

1．1．1 多粒子体系的薛定谔方程

1．1．2 玻恩-奥本海默近似

1．1．3 Hatree-Fock近似

1．1．4 密度泛函理论

1．1．5 交换关联能

1．1．6 平面波方法

1．1．7 赝势和缀加投影波方法

1．1．8 VASP软件原理介绍

1．2 本文选题背景和研究内容

1．2．1 选题背景

1．2．2 本文研究内容

2 铜基化合物基态性质和热力学性质

2．1 引言

2．2 第一性原理方法以及热力学近似

2．2．1 平衡态

2．2．2 形成焓

2．2．3 准谐近似方法和德拜模型

2．3 铜基化合物的基态性质

2．3．1 铜基化合物的晶体结构信息

2．3．2 铜基化合物的形成焓

2．3．3 铜基化合物的电子结构

2．4 铜基合金体系中纯元素在有限温度下的热力学性质

2．5 铜基化合物在有限温度下的热力学性质

2．6 本章小结

3 铜基化合物的力学性质

3．1 引言

3．2 理论和方法

3．2．1 应力-应变方法

3．2．2 第一原理计算参数

3．3 晶体的弹性性质和力学稳定性

3．4 计算结果与讨论

3．5 本章小结

4 合金元素对纯铜弹性性质的影响

4．1 引言

4．2 EOS拟合和应力应变方法

4．3 结果和讨论

4．4 本章小结

5 合金元素对纯铜堆垛层错能的影响

5．1 引言

5．2 理论和方法

5．2．1 超胞构建和剪切形变

5．2．2 第一原理计算参数

5．3 结果和讨论

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢