嵌入原子方法理论及其在材料科学中的应用 原子尺度材料设计理论PDF电子书下载

1 材料设计的热力学理论——Miedema理论 1

1.1 Miedema理论模型 1

1.2 二元合金形成热的经验关系式 3

1.2.1 形成热表达式的得出 3

1.2.2 成分和体积变化对形成能的影响 6

1.2.3 模型参数与比例常数 7

1.2.4 某些元素因结构所引起的转变能 12

1.2.5 固溶体中形成能的附加项 12

1.2.6 合金形成能理论计算与实验结果比较 15

1.3 Miedema形成热理论在非过渡族二元合金系及三元合金系的扩展应用 18

1.3.1 碱金属基二元合金系的形成热 19

1.3.2 碱金属-Al,Mg二元合金系的形成热 22

1.3.3 稀土-Al,Mg及稀土-4d金属二元合金形成热 24

1.3.4 三元合金系的形成焓 28

1.4 Miedema理论在纯金属及二元合金表面界面性质及缺陷上的应用 33

1.4.1 纯金属的表面能 33

1.4.2 纯金属和金属间化合物的单空位形成能 35

1.4.3 过渡族金属二元合金中的表面聚集 37

1.5 Miedema理论在非晶态合金中的应用 38

1.5.1 Miedema理论在非晶态合金形成上的应用 38

1.5.2 Miedema理论在非晶态合金形成区的应用 40

1.6 Miedema理论在合金固溶度中的应用 43

1.5.3 Miedema理论在非晶态合金晶化温度上的应用 43

参考文献 45

2 材料设计的电子理论 51

2.1 从头计算方法 51

2.2 密度泛函理论 54

2.2.1 Thomas-Fermi模型 55

2.2.2 Hohenberg和Kohn的密度泛函理论 55

2.3 电子理论在材料科学中的应用 58

2.3.1 缺陷能量学 58

2.3.2 相结构及稳定性 62

2.3.3 缺陷形成能 64

参考文献 68

3 嵌入原子方法理论及其与电子密度函数理论的关系 71

3.1 原子对势理论 71

3.2 准原子理论和有效介质理论 74

3.3 嵌入原子方法(EAM)理论基础 75

3.4 EAM理论与密度函数理论的关系 77

3.5 EAM理论中函数与参数的确定 79

3.6 EAM原型理论对纯元素性质的计算 83

3.6.1 点缺陷 84

3.6.2 弹性常数 85

3.6.3 体声子散射谱 85

3.6.4 元素的热力学性质(自由能，热膨胀和熔点) 87

3.7 EAM原型理论对纯元素表面和晶界性质的计算 89

3.7.1 表面能量和结构 90

3.7.2 金属表面上的原子吸附 95

3.7.3 晶界结构 99

3.7.4 晶界的弹性性能 101

3.8 EAM原型理论对合金性能的计算 103

3.8.1 fcc金属合金的稀溶解热 104

3.8.2 稀合金表面聚集 105

3.8.3 fcc金属合金系的表面聚集 106

3.8.4 合金表面层有序结构 109

3.8.5 合金晶界及位错区的成分聚集 112

3.9.1 应力、温度及杂质对位错运动的影响 118

3.9 EAM原型理论对金属元素力学性能的计算 118

3.9.2 加载对裂纹尖端的影响 122

3.10 F-S理论 125

3.10.1 F-S理论及其对bcc金属某些性质的计算 125

3.10.2 F-S理论存在的问题及改进 129

参考文献 133

4 Johnson分析型EAM理论 141

4.1 Johnson AEAM理论的基本思想和具体形式 141

4.1.1 fcc金属AEAM理论 141

4.1.2 fcc和hcp金属皆适用的AEAM理论 147

4.1.3 bcc金属AEAM理论 159

4.1.4 EAM模型的不变性及有效两体势 169

4.2 Johnson AEAM模型在合金中的应用 172

4.2.1 fcc金属合金AEAM模型 172

4.2.2 合金模型的不变性及合金势 173

4.2.3 fcc二元合金热力学性能的AEAM理论计算 175

4.2.4 bcc金属合金AEAM模型及其对热力学性能的计算 179

4.2.5 hcp金属合金AEAM模型及其对热力学性能的计算 187

参考文献 192

5 Baskes改进型EAM理论 199

5.1 Baskes改进型EAM理论基础 199

5.1.1 原型EAM理论在描述Si,Ge时产生的问题 199

5.1.2 Baskes的MEAM理论 201

5.2 Baskes MEAM理论的应用 204

5.2.1 Si和Ge弹性常数的计算 204

5.2.2 Si和Ge的点缺陷 204

5.2.3 Si和Ge的表面结构与能量 206

5.2.4 Si的原子团簇 209

5.3 MEAM理论的进一步扩展 210

5.3.1 扩展至金属元素和气体的MEAM理论 210

5.3.2 MEAM理论对hcp金属的扩展 216

5.3.3 MEAM理论在fcc,bcc金属元素和非金属元素上的应用 223

5.3.4 MEAM理论计算fcc二元合金的溶解热 227

5.3.5 MEAM理论在hcp金属上的应用 228

5.4 Pasianot等的嵌入缺陷势理论 236

参考文献 240

6 MAEAM理论 245

6.1 计及次近邻原子的MAEAM理论 245

6.1.1 MAEAM理论模型 245

6.1.2 模型参数的确定 247

6.2 计及更远近邻原子的MAEAM理论 251

6.2.1 bcc金属的对势函数 251

6.2.2 fcc金属的对势函数 253

6.2.3 hcp金属的对势函数 254

参考文献 256

7.1 结构稳定性 259

7 MAEAM理论对纯金属元素结构与性能的计算 259

7.1.1 bcc金属的结构稳定性 260

7.1.2 fcc金属的结构稳定性 261

7.1.3 hcp金属的结构稳定性 263

7.2 声子谱 268

7.3 态密度 280

7.4 晶格比热 286

7.5 Debye温度与Grüreisen常数 290

7.6 热膨胀系数 292

参考文献 297

8.1.1 bcc金属 299

8.1 空位 299

8 MAEAM理论对纯金属元素点缺陷和扩散性能的计算 299

8.1.2 fcc金属 302

8.1.3 hcp金属 306

8.2 双空位 313

8.2.1 bcc金属 313

8.2.2 fcc金属 317

8.2.3 hcp金属 326

8.3 自间隙原子 348

8.3.1 bcc金属 348

8.3.2 hcp金属 350

参考文献 353

9.1 形成焓 357

9 MAEAM理论对二元合金热力学性质的计算 357

9.1.1 bcc金属的二元合金形成焓 358

9.1.2 碱金属二元合金形成焓 362

9.1.3 fcc金属的二元合金形成焓 363

9.1.4 hcp金属的二元合金形成焓 367

9.1.5 交叉结构二元合金的形成焓 370

9.2 稀溶解热 374

9.2.1 bcc二元合金的稀溶解热 374

9.2.2 fcc二元合金的稀溶解热 376

9.2.3 hcp二元合金的稀溶解热 377

9.3 镁-稀土二元合金系热力学性质计算 378

9.2.4 交叉结构二元合金的稀溶解热 378

9.3.1 镁-稀土合金的稀溶解热 379

9.3.2 镁-稀土合金无序固溶体的形成焓 380

9.3.3 镁-稀土合金有序合金形成焓 380

9.4 铜与钛、锆、铪二元合金系热力学性质计算 385

9.4.1 稀溶解热的计算 385

9.4.2 无序固溶体的形成热 386

9.4.3 有序结构的形成热 386

参考文献 388

10.1.2 点缺陷及扩散性质的计算 392

10.1.1 物理量的计算方法 392

10.1 金属间化合物的物理性质及点缺陷的计算方法 392

10 MAEAM理论在金属间化合物中的应用 392

10.1.3 模型参数fe的确定 393

10.2 金属间化合物的物理性质 395

10.2.1 Fe-Al合金系物理性质 395

10.2.2 Ni-Al合金系物理性质 396

10.2.3 Co-Al合金系物理性质 397

10.2.4 Ti-Al合金系物理性质 398

10.3 金属间化合物的点缺陷 400

10.3.1 B2 FeAl点缺陷 400

10.3.2 DO3 Fe3Al计算结果和讨论 404

10.3.3 B2 NiAl点缺陷形成能 406

10.3.4 Ll2 Ni3Al点缺陷形成能 409

10.3.5 CoAl点缺陷形成能 410

10.3.6 Co3Al点缺陷形成能 412

10.3.7 TiAl点缺陷形成能 413

10.4 金属间化合物中的原子扩散 415

10.4.1 FeAl扩散性质 415

10.4.2 Fe3Al原子自扩散性质 418

10.4.3 NiAl原子自扩散性质 419

10.4.4 Ni3Al点缺陷扩散性质 421

10.4.5 Co-Al合金系统原子自扩散 421

10.4.6 TiAl原子自扩散 422

参考文献 425

11 MAEAM理论计算二元合金的表面聚集 433

11.1 Monte Carlo模拟方法 433

11.2 表面聚集Monte Carlo模拟的计算步骤和框图 435

11.3 二元合金系统的表面聚集 437

11.3.1 fcc-fcc二元合金系 438

11.3.2 交叉结构的二元合金系 449

11.4 纯元素表面能和合金元素表面聚集能 459

11.4.1 纯元素表面能 459

11.4.2 合金元素的表面聚集能 461

参考文献 464