● 摘要
晶界直接影响材料的力学性能。杂质是影响晶界结构从而影响材料宏观性能的重要因素。晶界与杂质捕获、杂质迁移和杂质脆化等现象有着非常密切的关系。从原子和电子层次上理解晶界中杂质效应的微观机制，对于实际材料设计和制备具有重要的理论指导和参考意义，据此可提出具体改善材料性能的有效方法。本文应用量子力学第一原理方法从原子和电子尺度系统计算了杂质对NiAl晶界（O和B）及Al晶界（Sr）的结构和键合特性的影响，分析了这些杂质效应的物理机制。 O和B 杂质易于偏析在NiAl晶界中，其偏析能分别为-1.75 eV和-3.38 eV。偏析能结果表明，在室温下O和B在NiAl晶界中的浓度将远大于体内的浓度，即几乎所有的杂质都存在于晶界处而非体内。与置换位相比，O和B都易于占据NiAl晶界的间隙位。O在NiAl晶界中易于与Al原子结合成键，O与Al原子之间电荷密度分布具有一定的方向性，显示O-Al键具有较强的共价键特性。O在 NiAl晶界中一般与3-5个Ni或Al原子结合。对于较低形成能的情况，O的最近邻原子为Al原子。O与这些Al原子结合形成一些共面（coplanar）的O-Al团簇。这些共面团簇的形成将造成严重的晶界结构及性能的各向异性，改变NiAl的塑性。与之相对，B则易于与Ni原子结合形成较强的Ni-B键，但没有类似的共面团簇生成。NiAl晶界将由于这些强键的出现而增强。该现象与B能改变NiAl的断裂模式（由沿晶断裂到沿晶穿晶混合断裂模式）紧密相关。 Sr在Al晶界的偏析引起了晶界膨胀，晶界处电荷密度大幅度降低，从而在晶界处形成一个局域的“低电子密度”区域，直接导致Sr-Al键和Al-Al键的减弱。由此造成的晶界结合力降低与Sr杂质引起的Al晶界脆化直接相关。 对于这些杂质影响晶界性能的不同物理机制进行了深入分析。O对NiAl晶界作用机制主要为O-Al间电负性差异，而B的价态则为主要影响因素。对于这两种杂质元素，几何效应（杂质原子尺寸）也起着重要作用。Al晶界中Sr杂质效应主要是由几何效应造成，源于Sr原子尺寸比Al大导致较大的晶界膨胀。Sr和Al间价态的差异也是一个重要影响因素。