本書運用第一原理的CASTEP軟件，對 型TiAl、B2型金屬間化合物（RuAl、YAg、YCu、YIn、YRh、NiAl）的點缺陷結構及其力學性能，NiAl合金化力學效應，Re、Ru合金化對Ni/Ni3Al相界電子結構的影響進行了第一原理研究。

本書內容編寫不片面強調理論深度，注重引導從事材料計算與設計的初學者在實際科學研究中運用CASTEP軟件。

隨著現代科技，尤其是計算機硬件技術的高速發展，量子力學第一原理的計算與仿真等軟件越來越多地應用于材料的計算、仿真與設計實踐。CASTEP軟件是一種基于量子力學的專門為固體材料科學研究所設計的程序包，采用密度泛函理論（DFT）贗勢平面波方法，能夠很好地探索半導體、陶瓷、金屬、礦物質和硅酸鹽等材料的晶體和表面性能，典型的應用包括研究材料的表面化學、結構性質、能帶結構、態密度和光學性能。

本書以作者最近幾年從事航空材料計算與設計研究工作中，取得的一些研究成果以及研究報告為基礎，作者經過多次與湖南大學材料科學與工程學院的專家研討，廣泛采納本領域專家的意見，整理加工而成。

第一章介紹了CASTEP軟件的基本理論與方法。

第二章采用第一原理贗勢平面波方法揭示了γ型TiAl金屬間化合物摻入Mn有利于改善TiAl的室溫脆性，而摻入Nb，不利于改善TiAl的室溫脆性，并介紹了其電子結構和價鍵結構特性。

第三章通過對RuAl、YAg、YCu、YIn、YRh與NiAl不同點缺陷結構Cauchy壓力參數C12-C44和G/B0值的比較，發現含有點缺陷的實際合金的室溫塑性RuAl比NiAl好；推測含有點缺陷的實際YAg、YCu、YIn、YRh多晶材料比無缺陷理想單晶和NiAl多晶材料表現出更好室溫塑性。

第四章解釋了實驗中0.20at%～0.25at%的Fe合金化對NiAl晶體延性的改善很可能源于Fe原子與NiAl晶體中Ni空位間的關聯與協同作用；Ag合金化能改善Ni空位的NiAl多晶材料延性，并且x=0.32at%～0.48at%時，Ni空位的NiAl多晶延性的提升幅度尤為明顯，這歸因于低濃度Ag的固溶強化與高濃度Ag的富Ag相軟化作用；0.03at%的P可提高NiAl的室溫壓縮塑性，可能是因為Ni反位協同占據Ni原子位的P相互作用。

第五章研究了Ru、Re單獨合金化以及復合合金化前后γ-Ni/γ¢-Ni3Al相界的電子與能態結構。Ru置換γ-Ni/γ¢-Ni3Al相界界面層的Al原子時，對相界的強化效果最好。Re與Ru在相界區的復合合金化，當Re與Ru分別占據共格(002)γ/γ¢原子層鄰近(001)γ原子層上的Ni原子位與(001) γ¢原子層上的Al原子位時，γ-Ni/γ¢- Ni3Al相界的斷裂強度可進一步提高。

由于作者的能力和水平有限，雖謹慎而為，但書中錯誤在所難免，懇請廣大同仁和讀者多加批評指正，以便今后不斷改進。

作 者

2015年6月

前言
第1章 密度泛函與CASTEP理論方法 1
1.1 引言 1
1.2 多粒子體系的Schrődinger方程 1
1.2.1 非相對論近似 2
1.2.2 Born-Oppenheimer近似 2
1.2.3 軌道近似 3
1.3 密度泛函理論 4
1.3.1 局域密度近似（LDA） 5
1.3.2 自旋極化局域密度近似（LSD） 6
1.3.3 廣義梯度近似（GGA） 6
1.4 CASTEP理論背景及基本原理方法 7
1.4.1 總能量的計算 7
1.4.2 CASTEP計算輸出結果 12
【參考文獻】 13
第2章 γ-TiAl合金Mn、Nb合金化電子結構計算 17
2.1 引言 17
2.2 γ-TiAl基本物性的計算與比較研究 18
2.2.1 計算模型與方法 18
2.2.2 計算結果與分析 20
2.3 γ-TiAl的Mn、Nb合金化電子結構計算 25
2.3.1 計算模型與方法 25
2.3.2 計算結果與分析 26
2.4 結論 31
【參考文獻】 32
第3章 B2型金屬間化合物基本物性的理論計算 37
3.1 引言 37
3.2 RuAl點缺陷結構研究 39
3.2.1 計算模型與方法 39
3.2.2 計算結果與分析 42
3.2.3 RuAl點缺陷的組態結構與力學性能 43
3.3 B2-YX（X=Ag、Cu、In、Rh）點缺陷結構計算 50
3.3.1 計算模型與方法 50
3.3.2 計算結果與分析 52
3.4 結論 56
【參考文獻】 57
第4章 NiAl合金化力學效應的理論研究 62
4.1 引言 62
4.2 計算模型與方法 63
4.2.1 計算模型 63
4.2.2 計算方法 64
4.3 B2-NiAl晶體的基本物性 65
4.4 B2-NiAl晶體的Fe合金化 66
4.4.1 Fe合金化NiAl晶體的彈性性質 66
4.4.2 缺陷NiAl晶體Fe合金化時的彈性性質 69
4.5 B2-NiAl晶體的Ag合金化 72
4.5.1 Ag合金化NiAl晶體的彈性性質 72
4.5.2 缺陷NiAl晶體Ag合金化時的彈性性質 74
4.6 B2-NiAl晶體的P合金化 78
4.6.1 P合金化NiAl晶體的彈性性質 78
4.6.2 缺陷NiAl晶體P合金化時的彈性性質 81
4.7 結論 84
4.7.1 B2-NiAl晶體的Fe合金化 84
4.7.2 B2-NiAl晶體的Ag合金化 85
4.7.3 B2-NiAl晶體的P合金化 85
【參考文獻】 86
第5章 Re與Ru合金化對Ni/Ni3Al相界 電子結構影響的第一原理研究 91
5.1 引言 91
5.2 計算方法與相界模型構建 93
5.2.1 計算方法 93
5.2.2 相界模型構建 93
5.3 Ru單獨合金化 96
5.3.1 合金化模型 96
5.3.2 計算結果與討論 96
5.4 Ru與Re復合合金化 103
5.4.1 合金化模型 103
5.4.2 計算結果與討論 103
5.5 結論 109
【參考文獻】 109