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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