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绪言1

1．合金设计的理论方法概述1

2．多元合金的电子、原子层次理论计算5

第1篇 电子、原子层次理论计算方法8

第1章 量子化学从头计算方法8

1.1 量子化学从头计算方法简介8

1.2 量子化学从头计算方法的应用11

1.3 量子化学从头计算方法的局限性14

第2章 密度泛函理论18

2.1 第一性原理密度泛函理论18

2.1.1 Thomas-Fermi模型18

2.1.2 密度泛函理论19

2.1.3 基函数和K点23

2.2 密度泛函理论Xa方法24

2.3 密度泛函理论离散变分方法（DV-DFT）26

第3章 赝势方法（量子化学模型势从头计算）31

3.1 赝势方法简介31

3.2 第一性原理赝势方法33

3.3 模守恒赝势34

第4章 半经验量子化学方法36

4.1 半经验量子化学方法简介36

4.2 忽略微分重叠37

4.2.1 完全忽略微分重叠37

4.2.2 忽略双原子微分重叠38

4.3 间略微分重叠38

4.3.1 INDO法38

4.3.2 MINDO法39

第5章 原子间相互作用势40

5.1 原子间相互作用势简介40

5.2 半经验原子间相互作用对势41

5.3 原子间相互作用多体势42

第6章 分子动力学模拟方法46

6.1 分子动力学模拟方法简介46

6.2 有限差分方法47

6.3 预测—校正方法50

6.4 等温、等压分子动力学模拟51

6.5 分子力学方法52

第2篇 计算技术及模型54

第7章 最优化算法及曲线拟合54

7.1 最优化算法54

7.1.1 最速下降法54

7.1.2 牛顿法55

7.1.3 共轭梯度法56

7.1.4 模拟退火法56

7.2 最小二乘法及曲线拟合56

7.3 随机数的产生58

第8章 电子结构理论计算60

8.1 量子化学从头计算通用程序60

8.2 量子化学模型势从头计算通用程序62

8.3 几种量子化学计算方法的比较66

第9章 原子层次的计算69

9.1 量子化学从头计算与原子间相互作用对势结合69

9.1.1 双原子团簇的平衡距离及结合能69

9.1.2 双原子团簇L-J对势函数中的参数70

9.2 密度泛函理论方法计算的结果及拟合对势75

9.3 原子间相互作用多体势77

9.3.1 二元合金F-S多体势函数的构建77

9.3.2 应用F-S势函数计算二元合金的晶体性能84

第10章 二元合金晶体性能的计算86

10.1 使用CASTEP建立晶体结构并计算二元合金晶体性能86

10.1.1 使用CASTEP建立二元合金的晶体结构模型86

10.1.2 选择CASTEP模式，设置计算参数88

10.2 二元合金晶体性能的计算89

10.3 二元合金体弹性模量的第一性原理计算90

10.3.1 二元合金体弹性模量的计算90

10.3.2 二元合金体弹性模量计算结果验证94

10.4 第一性原理赝势方法关于纯金属的晶体性能计算94

第11章 电子、原子层次计算的结合96

11.1 从头计算方法与分子动力学的简单结合——MQAB-200396

11.2 从头计算方法与半经验原子间相互作用对势相结合研究含B奥氏体96

11.3 C对合金基体结构的影响97

11.4 第一性原理赝势方法关于纯金属的晶体性能的计算99

第3篇 Fe-Cr-Mn-C-B系亚稳奥氏体基耐磨合金的理论计算及其应用101

第12章 含B多元合金奥氏体的电子、原子层次理论计算101

12.1 量子化学从头计算方法计算含C、B奥氏体小团簇的电子结构101

12.2 密度泛函理论方法计算奥氏体合金小团簇103

12.3 分子动力学方法对铁团簇构型的研究103

12.4 铁团簇的半经验原子间相互作用对势研究104

12.5 从头计算方法与半经验原子间相互作用对势相结合研究含B奥氏体108

第13章 Fe-Cr-Mn-C-B系亚稳奥氏体基耐磨铸造合金的合金设计109

13.1 亚稳奥氏体基耐磨铸造合金设计方案109

13.2 硼碳化物体积分数的计算109

13.2.1 碳化物体积分数的解析计算109

13.2.2 硼碳化物体积分数和奥氏体基体成分的经验计算114

第14章 Fe-Cr-Mn-C-B系亚稳奥氏体基耐磨铸造合金的实验研究116

14.1 Fe-Cr-Mn-C-B系铸造合金的组织结构116

14.2 Fe-Cr-Mn-C-B系铸造合金摩擦诱发马氏体相变研究118

14.2.1 摩擦诱发马氏体相变及其应用118

14.2.2 X-射线衍射分析结果118

14.2.3 透射电镜研究结果120

第4篇 Fe-Cr-V-Ni-Si-C系耐磨铸造合金理论计算与应用125

第15章 Fe-Cr-V-Ni-Si-C系多元合金的原子间相互作用势及其应用125

15.1 Fe-Cr-V-Ni-Si-C系多元合金的原子间相互作用势125

15.2 合金元素Ni及C对基体稳定性的影响127

15.2.1 奥氏体基体127

15.2.2 马氏体基体129

15.2.3 基体的稳定性的考察130

15.3 Fe-Cr-V-Ni-Si-C系多元合金的晶体性能的计算136

15.4 多元合金团簇构型优化的实现139

15.4.1 Fe基多元合金的平衡构型139

15.4.2 平衡构型的程序设计139

15.5 原子间相互作用势研究Fe-Cr-V-Ni-Si-C系合金的结果141

第16章 Fe-Cr-V-Ni-Si-C系耐磨铸造合金的合金设计143

16.1 马氏体／奥氏体基耐磨铸造合金设计方案的提出143

16.2 合金成分的选择144

16.3 碳化物体积分数和基体成分的经验计算145

16.4 合金设计方案146

第17章 Fe-Cr-V-Ni-Si-C系耐磨铸造合金的实验研究147

17.1 实验材料及实验方法147

17.2 铸态组织及结构148

17.2.1 铸态显微组织148

17.2.2 铸态相结构分析151

17.3 回火对残余奥氏体、硬度及耐磨性的影响154

17.3.1 回火工艺对硬度的影响154

17.3.2 回火对残余奥氏体的影响156

17.3.3 回火对耐磨性的影响158

17.3.4 二次硬化效应的讨论159

17.4 实验结果与理论计算的比较160

第5篇 超细碳化物高碳合金钢理论计算与应用161

第18章 超细碳化物高碳合金钢晶胞的结合能信息及应用161

18.1 奥氏体晶胞的结合能信息及应用161

18.1.1 奥氏体计算模型的选择161

18.1.2 奥氏体的计算结果及讨论163

18.1.3 电子结构计算Si、Ni对奥氏体的影响166

18.2 马氏体晶胞的结合能信息及应用168

18.2.1 马氏体计算模型的选择168

18.2.2 马氏体的计算结果及讨论171

18.3 密度泛函理论方法与半经验对势相结合进行合金设计理论计算与应用173

18.3.1 密度泛函理论方法计算的结果及拟合对势173

18.3.2 W在奥氏体和马氏体的计算结果及讨论176

18.4 三种方法探求C、Si和Ni对基体的影响177

18.4.1 CASTEP软件计算结果与从头计算程序计算结果联合使用177

18.4.2 CASTEP软件计算结果修正后与从头计算程序计算结果联合使用183

18.4.3 合金中不含W情况下电子和原子层次探求钢中Si和Ni对基体的影响190

18.4.4 结合能信息总结出合金中合金元素的作用194

第19章 超细碳化物高碳合金钢的合金设计197

19.1 合金设计方案197

19.2 相平衡热力学计算的应用198

19.2.1 碳化物转变规律198

19.2.2 根据计算预测组织、结构、工艺与性能199

19.3 碳化物体积分数及基体成分的经验计算201

19.4 结合能信息与屈服强度的联系204

第20章 多类型超细碳化物高碳合金钢的实验研究206

20.1 多类型超细碳化物低合金高碳钢DM8206

20.2 多类型超细碳化物中合金高碳钢DM8A209

20.3 多类型超细碳化物中合金高碳钢DM8B211

20.4 多类型超细碳化物高合金高碳钢DM7S214

20.5 碳化物细化的讨论216

附录A 由Finnis-Sinclair势函数计算第i个原子受到的作用力220

附录B 求解FS势参数224

附录C 多元合金奥氏体晶胞结合能计算公式中各项的具体展开式227

附录D 多元合金马氏体晶胞结合能计算公式中各项的具体展开式230

参考文献234