● 摘要
金属间化合物是航空航天工业中用来制造航空发动机涡轮叶片等关键部件的新型高温材料，但是室温脆性严重阻碍了其应用。探索研究和改善金属间化合物室温脆性和高温强度的有效方法是一直以来的研究热点。金属间化合物中的杂质效应是影响其力学性能的一个重要因素。本论文，我们选择NiAl金属间化合物为研究对象，通过第一原理计算方法，研究了杂质O对于NiAl金属间化合物的结构和力学性能的影响。NiAl中的杂质O的占位依赖于周围环境。富Al环境下可占据Ni替位，而富Ni的情况可占据四面体间隙位置。在此基础上，进而考察了NiAl中O原子的相互作用。间隙情况下，两个O原子间距为2.56 Å，表明从能量角度上O原子可能在NiAl中聚集，形成局域高浓度区域。O在NiAl中显示的最明显的特点是与周围的Ni和Al原子形成类Al2O3结构，并与最近邻Al原子形成含有共价键成份的O-Al键。这从“第一原理拉伸试验”的结果得到了进一步证实，即在拉伸过程中O-Ni键发生断裂，最终O与近邻的Al原子形成O-Al团簇。通过对“局域弹性常数”的计算和经验判据，我们得到O的存在使NiAl的局域硬度增加，局域韧性减小；共价键成分增加，局域塑性减少。我们从断裂能和层错能的变化进一步分析O对于NiAl的力学性能的影响。材料的脆性和韧性的变化可以从断裂能和不稳定堆垛层错能之比得到，这个比值反映着裂纹扩展的难易程度。对于NiAl中最常见的{110}滑移系，O的存在使这个比值减小超过50%；而对于另外一个常见的{001}滑移系，这个比值减少超过10%。因此，O的加入导致裂纹更容易扩展，从而使NiAl脆性增加，韧性降低。因此，从“结构”、“弹性常数”、“应力”和“能量”的不同方法均反映了O对于NiAl力学性能的有害作用。在O对于NiAl力学性能影响机制研究的基础上，我们寻找合适的合金化元素抑制O对NiAl力学性能的有害影响。我们选择Cr作为研究对象。通过“局域弹性常数（模量）”的计算和经验判据，我们发现，在富Al的环境下，Cr将取代类Al2O3结构中的Ni原子，弱化O-Al键的共价从而改善NiAl的局域韧性，抑制O的作用。但是，Cr的这种抑制作用仅限于一定浓度范围内。断裂能和层错能的变化分析得到相同的结论。Cr加入后使得NiAl-O {110}和{001}滑移系断裂能和不稳定堆垛层错能之比分别增加约11%和4%，使得NiAl的韧性得到改善。本论文应用第一原理方法从电子和原子尺度对NiAl中的O杂质效应进行了系统的研究，研究结果对于NiAl金属间化合物室温脆性的问题解决提供了必要的参考依据。同时，NiAl也是一个研究联系原子尺度计算得到的微观结构和宏观力学性能方法的模型系统。论文中的“原子（电子）结构”、“能量”、“应力”和“弹性常数（模量）”的四类典型方法可以很好地扩展到其它金属间化合物以及金属和合金等结构材料的力学性能的研究中。