基于第一原理的固体变形、强度及外延成长研究

本文基于第一原理的能量计算和稳定性理论，研究了双原子组分材料β-SiC在各种载荷方式下的力学性质：弹性行为、应力－应变关系、稳定性和强度。由于沿[111]方向加载时四个Si-C键是不等价的，所以有相对内位移出现。本文的分析揭示了如下事实：当载荷较小时，内位移的影响不明显；当载荷较大时，影响则越来越显著；裂纹在{111}shuffle面上成核，并最终导致材料以解理的形式破坏。在沿[001]单轴拉伸的情况下，spinodal失稳（即体破坏）和Born失稳被同时触发，并体现了一种级联破坏的模式。基于同样的理论和方法，进一步研究了铝在各种加载方式下的响应及分叉行为。得到了铝的沿[001]和[111]方向单轴加载和单轴应变、及沿[010]和[001]方向的双轴比例加载情况下的、完整的能量－应变曲线和应力－应变曲线。详细地分析了沿[001]方向的单轴加载情况下的稳定性及分叉行为。研究结果表明，除了自然的面心立方结构外，所有其它的、应力自由的立方结构都是不稳定的。对于铝而言，稳定的面心立方结构不能从沿任何等价的[001]和[111]方向的单轴压缩的方法而得到。本文的结果丰富了现存的第一原理数据库。基于第一原理的能量计算，分析了碱金属K、Rb和Cs在如下四个结晶面上外延成长的行为，即{001}、{110}、{111}和{201}。发现除了在{110}面以外，在其它的三个结晶面上都发现有亚稳态存在。当外延应变为拉伸状态时，在{001}和{111}面上存在着亚稳态，其结构为b.c.c.结构。当外延应变为压缩状态时，在{201}面存在一个亚稳态，是一个超结构，。亚稳态的存在显著地影响着材料外延成长的软化行为。基于正交变形路径，并考虑了温度的影响以后，解释了实验上观察到的碱金属从h.c.p.结构转变到b.c.c.结构的现象。本文第五章归纳整理在赝势平面波框架下的总能、力和应力在实空间和动量空间的解析表达式，以方便参阅和使用。