航空高温结构材料的计算

本书运用第一原理的CASTEP软件，对 型TiAl、B2型金属间化合物（RuAl、YAg、YCu、YIn、YRh、NiAl）的点缺陷结构及其力学性能，NiAl合金化力学效应，Re、Ru合金化对Ni/Ni3Al相界电子结构的影响进行了第一原理研究。

本书内容编写不片面强调理论深度，注重引导从事材料计算与设计的初学者在实际科学研究中运用CASTEP软件。

随着现代科技，尤其是计算机硬件技术的高速发展，量子力学第一原理的计算与仿真等软件越来越多地应用于材料的计算、仿真与设计实践。CASTEP软件是一种基于量子力学的专门为固体材料科学研究所设计的程序包，采用密度泛函理论（DFT）赝势平面波方法，能够很好地探索半导体、陶瓷、金属、矿物质和硅酸盐等材料的晶体和表面性能，典型的应用包括研究材料的表面化学、结构性质、能带结构、态密度和光学性能。

本书以作者最近几年从事航空材料计算与设计研究工作中，取得的一些研究成果以及研究报告为基础，作者经过多次与湖南大学材料科学与工程学院的专家研讨，广泛采纳本领域专家的意见，整理加工而成。

第一章介绍了CASTEP软件的基本理论与方法。

第二章采用第一原理赝势平面波方法揭示了γ型TiAl金属间化合物掺入Mn有利于改善TiAl的室温脆性，而掺入Nb，不利于改善TiAl的室温脆性，并介绍了其电子结构和价键结构特性。

第三章通过对RuAl、YAg、YCu、YIn、YRh与NiAl不同点缺陷结构Cauchy压力参数C12-C44和G/B0值的比较，发现含有点缺陷的实际合金的室温塑性RuAl比NiAl好；推测含有点缺陷的实际YAg、YCu、YIn、YRh多晶材料比无缺陷理想单晶和NiAl多晶材料表现出更好室温塑性。

第四章解释了实验中0.20at%～0.25at%的Fe合金化对NiAl晶体延性的改善很可能源于Fe原子与NiAl晶体中Ni空位间的关联与协同作用；Ag合金化能改善Ni空位的NiAl多晶材料延性，并且x=0.32at%～0.48at%时，Ni空位的NiAl多晶延性的提升幅度尤为明显，这归因于低浓度Ag的固溶强化与高浓度Ag的富Ag相软化作用；0.03at%的P可提高NiAl的室温压缩塑性，可能是因为Ni反位协同占据Ni原子位的P相互作用。

第五章研究了Ru、Re单独合金化以及复合合金化前后γ-Ni/γ¢-Ni3Al相界的电子与能态结构。Ru置换γ-Ni/γ¢-Ni3Al相界界面层的Al原子时，对相界的强化效果最好。Re与Ru在相界区的复合合金化，当Re与Ru分别占据共格(002)γ/γ¢原子层邻近(001)γ原子层上的Ni原子位与(001) γ¢原子层上的Al原子位时，γ-Ni/γ¢- Ni3Al相界的断裂强度可进一步提高。

由于作者的能力和水平有限，虽谨慎而为，但书中错误在所难免，恳请广大同仁和读者多加批评指正，以便今后不断改进。

作 者

2015年6月

前言
第1章 密度泛函与CASTEP理论方法 1
1.1 引言 1
1.2 多粒子体系的Schrődinger方程 1
1.2.1 非相对论近似 2
1.2.2 Born-Oppenheimer近似 2
1.2.3 轨道近似 3
1.3 密度泛函理论 4
1.3.1 局域密度近似（LDA） 5
1.3.2 自旋极化局域密度近似（LSD） 6
1.3.3 广义梯度近似（GGA） 6
1.4 CASTEP理论背景及基本原理方法 7
1.4.1 总能量的计算 7
1.4.2 CASTEP计算输出结果 12
【参考文献】 13
第2章 γ-TiAl合金Mn、Nb合金化电子结构计算 17
2.1 引言 17
2.2 γ-TiAl基本物性的计算与比较研究 18
2.2.1 计算模型与方法 18
2.2.2 计算结果与分析 20
2.3 γ-TiAl的Mn、Nb合金化电子结构计算 25
2.3.1 计算模型与方法 25
2.3.2 计算结果与分析 26
2.4 结论 31
【参考文献】 32
第3章 B2型金属间化合物基本物性的理论计算 37
3.1 引言 37
3.2 RuAl点缺陷结构研究 39
3.2.1 计算模型与方法 39
3.2.2 计算结果与分析 42
3.2.3 RuAl点缺陷的组态结构与力学性能 43
3.3 B2-YX（X=Ag、Cu、In、Rh）点缺陷结构计算 50
3.3.1 计算模型与方法 50
3.3.2 计算结果与分析 52
3.4 结论 56
【参考文献】 57
第4章 NiAl合金化力学效应的理论研究 62
4.1 引言 62
4.2 计算模型与方法 63
4.2.1 计算模型 63
4.2.2 计算方法 64
4.3 B2-NiAl晶体的基本物性 65
4.4 B2-NiAl晶体的Fe合金化 66
4.4.1 Fe合金化NiAl晶体的弹性性质 66
4.4.2 缺陷NiAl晶体Fe合金化时的弹性性质 69
4.5 B2-NiAl晶体的Ag合金化 72
4.5.1 Ag合金化NiAl晶体的弹性性质 72
4.5.2 缺陷NiAl晶体Ag合金化时的弹性性质 74
4.6 B2-NiAl晶体的P合金化 78
4.6.1 P合金化NiAl晶体的弹性性质 78
4.6.2 缺陷NiAl晶体P合金化时的弹性性质 81
4.7 结论 84
4.7.1 B2-NiAl晶体的Fe合金化 84
4.7.2 B2-NiAl晶体的Ag合金化 85
4.7.3 B2-NiAl晶体的P合金化 85
【参考文献】 86
第5章 Re与Ru合金化对Ni/Ni3Al相界 电子结构影响的第一原理研究 91
5.1 引言 91
5.2 计算方法与相界模型构建 93
5.2.1 计算方法 93
5.2.2 相界模型构建 93
5.3 Ru单独合金化 96
5.3.1 合金化模型 96
5.3.2 计算结果与讨论 96
5.4 Ru与Re复合合金化 103
5.4.1 合金化模型 103
5.4.2 计算结果与讨论 103
5.5 结论 109
【参考文献】 109