Cu-Ni-Sn合金第一性原理计算及组织性能调控

Cu-Ni-Sn合金是一种典型的调幅分解强化型铜合金，凭借其高强度、高弹性、优良的抗应力松弛性能和耐磨耐蚀性能，可广泛应用于机械电子、航天航空、船舶航海等领域。以往对Cu-Ni-Sn合金的研究主要集中在合金的制备方法、微量元素、预冷变形及热处理工艺对合金组织性能的影响，缺乏从原子尺度上对合金各类相的微观结构、相变与强化机理等方面进行深入研究，从而制约了Cu-Ni-Sn合金的进一步发展。本书通过第一性原理对Cu-Ni-Sn合金固溶体的调幅分解、空位形成能、位错与溶质原子的相互作用以及各类不同结构的析出相进行理论计算与分析，探究了合金在不同状态下的各类组织微观结构的性质及其形成机理。同时以Cu-15Ni-8Sn合金为例，研究了Cu-Ni-Sn合金的动态应变时效（Dynamic Strain Aging，DSA）及其对组织及性能的影响，主要研究内容与结果如下。
结合采用虚晶近似法和超胞法，对Cu-Ni-Sn过饱和固溶体的稳定性、溶质原子的扩散激活能、位错与溶质的交互作用进行了第一性原理计算与分析，分别得到了Sn和Ni在合金固溶体中的调幅分离能、Cu的空位形成能、自扩散激活能以及Sn原子的体扩散激活能。确定了位错对Sn和Ni溶质原子的作用能以及各溶质原子在位错作用下的择优分布取向。分析了固溶体中Ni和Sn的团簇，证明了Sn原子向位错偏聚的驱动力大于调幅分解驱动力。
利用第一性原理计算了Cu-Ni-Sn 合金的主要析出相(CuxNi1-x)3Sn的各种不同有序结构的晶格常数、形成能，重点分析和比较L12、D022及D03的力学及热力学性质，确定了不同有序相的结构、成分与稳定性的关系，获得了时效过程中有序相的析出序列。结果表明：当Ni含量较低时（1≥x≥1/2），D022的原子排列相对于L12和D03更为紧凑，形成能最低，能最先从固溶体中析出；当Ni含量较高时（1/6≥x≥0），L12的形成能最低，其中L12-Ni3Sn为L12、D022及D03结构(CuxNi1-x)3Sn的最稳定相。
以Cu-15Ni-8Sn合金为例，实验研究了Cu-Ni-Sn 合金在不同温度和变形速率下的压缩变形行为。证明了Cu-15Ni-8Sn合金存在DSA现象并确定了其温度和应变速率区间。根据应力应变曲线计算了DSA激活能，明确了该合金DSA主要是由Sn原子通过位错管道扩散与位错相互作用所致。结合第一性原理计算和实验分析结果揭示了DSA过程中合金成分和微观组织的演变机制，即Sn和Ni在位错作用下形成偏聚和团簇，抑制了固溶体中Sn的调幅分解，并且直接形成了富Ni富Sn区，从而在较低温度下动态析出以L12-Ni3Sn为主的(Cu,Ni)3Sn相。在此基础上，通过进一步实验研究了DSA预处理对Cu-15Ni-8Sn合金在400℃再时效组织和性能的影响。发现DSA预处理能极大地促进再时效进程，峰时效时间缩短至10~15min。其机理为DSA过程中所形成的富Ni富Sn区加速了新的L12强化相的析出，不需要经过长时间的调幅分解。
为了研究微合金元素对Cu-Ni-Sn合金组织和性能影响，首先利用第一性原理计算和比较了不同结构类型Ni3M和Cu3M析出相的热稳定性和力学性能。在此基础上，以Si和Ti元素对Cu-15Ni-8Sn合金影响为例，通过实验分析了微合金元素对Cu-Ni-Sn组织与性能的影响。结果说明微合金元素对Cu-Ni-Sn组织和性能影响的主要机理为大多数Ni3M相的析出能有效细化晶粒、抑制不连续沉淀物的形核与长大，从而提高合金的力学性能。
本著作得到湖南省材料科学与工程双一流学科建设项目资助，感谢湖南人文科技学院各位领导、材料科学与工程学科团队及材料成型与控制工程专业团队各位同事的支持和帮助。特别感谢中南大学甘雪萍教授、李周教授、周科朝教授的关爱与指导。

著者    

彭广威，男，汉族，湖南双峰人，教授，材料科学与工程博士，中共党员。湖南省青年骨干教师、世界技能大赛全国选拔赛裁判、全国优秀教学团队核心成员。现任湖南人文科技学院能源与机电工程学院副院长。公表发表论文60余篇，其中Journal of Alloys and Compounds、Materials Science & Engineering A 等SCI/IE期刊收录4篇，《热加工工艺》《锻压技术》《特种铸造及有色合金》等中文核心期刊发表10余篇。主持省级以上课题4项。授权国家专利2项

本书通过第一性原理对Cu-Ni-Sn合金固溶体的调幅分解、空位形成能、位错与溶质原子的相互作用以及各类不同结构的析出相进行理论计算与分析，探究了合金在不同状态下的各类组织微观结构的性质及其形成机理。同时以典型的Cu-15Ni-8Sn合金为例，研究了Cu-Ni-Sn合金的动态应变时效（Dynamic Strain Aging，DSA）及其对组织及性能的影响，深入分析了应变与时效的相互影响机理。在此基础上，结合第一性原理计算与实验研究阐述了典型的第四种合金元素对Cu-Ni-Sn合金组织与性能的影响及其机理。
本书可供金属材料及计算材料学专业的本科生、研究生及从事相关研究领域的工作者参考使用。

第1章 绪论 001
1.1 超高强弹性铜合金简介 001
1.1.1 Cu-Be合金 002
1.1.2 Cu-Ti合金 003
1.1.3 Cu-Ni-Si合金 003
1.1.4 Cu-Ni-Mn合金 004
1.1.5 Cu-Ni-Al合金 005
1.2 Cu-Ni-Sn系合金的研究现状 006
1.2.1 Cu-Ni-Sn合金的分类 006
1.2.2 Cu-Ni-Sn合金的制备工艺 007
1.2.3 Cu-Ni-Sn合金的时效组织 008
1.2.4 Cu-Ni-Sn合金性能的影响因素 010
1.3 合金的动态应变时效与PLC效应 013
1.3.1 DSA的宏观特征 013
1.3.2 DSA的影响因素 016
1.3.3 DSA对材料组织结构与性能的影响 017
1.4 Cu-Ni-Sn合金第一性原理研究进展 018
1.4.1 第一性原理计算简介 018
1.4.2 第一性原理在铜合金的研究应用 019
1.4.3 Cu-Ni-Sn合金第一性原理研究展望 020

第2章 Cu-Ni-Sn固溶体稳定性第一性原理计算 023
2.1 Cu-Ni-Sn固溶体简介 023
2.2 固溶体MS计算方法 024
2.2.1 固溶体模型的搭建 025
2.2.2 计算参数的设置 026
2.3 固溶体的形成能与电子结构 026
2.3.1 固溶体形成能 026
2.3.2 固溶体的电子结构 028
2.4 溶质原子的调幅分离能及团簇 030
2.4.1 Sn的调幅分离能 030
2.4.2 Ni的调幅分离能 031
2.4.3 固溶体的体积变化 032
2.4.4 溶质原子的团簇 033
2.5 本章小结 037

第3章 Cu-Ni-Sn固溶体缺陷第一性原理计算 038
3.1 空位形成能的计算 038
3.1.1 空位模型的搭建 038
3.1.2 空位形成能的计算结果与分析 039
3.2 固溶体扩散激活能的计算 039
3.2.1 固溶体扩散模型的搭建 040
3.2.2 空位迁移能与Sn原子迁移能 041
3.3 位错与溶质原子的交互作用 042
3.3.1 超胞位错模型的搭建 042
3.3.2 位错对固溶体溶质原子分布的影响 044
3.4 本章小结 047

第4章 （Cu，Ni）3Sn析出相第一性原理计算 048
4.1 (Cu,Ni)3Sn相的结构类型 048
4.2 合金相超胞结构设计及计算方法 049
4.2.1 超胞成分及结构设计 049
4.2.2 计算参数设置 050
4.3 合金相结构计算结果与分析 050
4.3.1 晶体常数的比较 050
4.3.2 结构优化后形成能比较 054
4.3.3 电子结构分析 057
4.3.4 弹性力学性能分析 063
4.3.5 声子色散及热力学分析 065
4.4 本章小结 067

第5章 Cu-15Ni-8Sn在时效温区下的压缩变形研究 069
5.1 材料制备及其试样表征分析方法 069
5.1.1 材料制备 069
5.1.2 试样表征分析方法 070
5.2 变形特点及组织分析 070
5.2.1 不同变形条件下的应力-应变曲线 070
5.2.2 不同变形条件下的合金显微组织 076
5.3 本章小结 079

第6章 Cu-15Ni-8Sn的动态应变时效机理研究 081
6.1 动态应变时效现象及机理 081
6.1.1 应力-应变曲线分析 081
6.1.2 DSA激活能计算及机理分析 085
6.2 动态应变后合金的组织 087
6.2.1 不同状态试样的金相组织 087
6.2.2 动态应变时效后合金微观组织的变化 090
6.3 本章小结 094

第7章 DSA预处理对Cu-15Ni-8Sn再时效组织与性能的影响 095
7.1 典型变形条件下的力学行为及其组织性能 095
7.1.1 应力-应变曲线与变形条件的关系 095
7.1.2 DSA预处理对合金显微组织的影响 096
7.1.3 DSA预处理对合金力学性能的影响 098
7.2 再时效后合金的组织与性能 099
7.2.1 再时效后的显微组织 099
7.2.2 再时效后的力学性能 104
7.3 本章小结 104

第8章 Cu-Ni-Sn组织与性能的微合金化调控 106
8.1 Ni3M与Cu3M析出相的第一性原理计算 106
8.1.1 Ni3M和Cu3M的形成能 106
8.1.2 Ni3M和Cu3M的力学性能 108
8.2 Si对Cu-Ni-Sn组织与性能的影响 111
8.2.1 Si对Cu-15Ni-8Sn合金铸态组织的影响 111
8.2.2 Si对Cu-15Ni-8Sn合金固溶态组织的影响 115
8.2.3 Si对Cu-15Ni-8Sn合金时效硬化的影响 115
8.3 Ti对Cu-Ni-Sn合金组织与性能的影响 116
8.3.1 Ti对Cu-15Ni-8Sn合金组织的影响 116
8.3.2 Ti对Cu-15Ni-8Sn合金力学性能的影响 118
8.4 本章小结 119

参考文献 120