钢铁材料因其优异的性能和低廉的成本,是目前应用最为广泛的结构材料,如何提升其性能是近年来钢铁材料领域研究的热点问题之一。众所周知,钢铁材料中添加少量的稀土元素即可大幅度地提升其性能,但目前对其具体的作用机理缺乏微观原子尺度上的认识。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了17种稀土元素掺杂对α-Fe的结构、稳定性和力学性能的影响,此外还对目前稀土钢中常见的Fe-Ce金属间化合物的结构和性能进行了计算,为新型稀土钢的研发提供一定的参考。固溶焓的计算结果表明,在0 K下所有的稀土元素均不能自发地固溶于α-Fe中,其中Sc元素的固溶能力相对最强,Pr元素的固溶能力相对最差。从结合能的计算结果可知,Ce元素掺杂后体系稳定性相对最强,而Er和Yb元素掺杂后体系的稳定性相对较差,表明在所有的Fe-RE化学键中Fe-Ce键最强,Fe-Er键和Fe-Yb键相对较弱。稀土元素掺杂对α-Fe力学性能的影响可从弹性和塑性两个方面进行评估。首先根据应力-应变法对固溶体的单晶独立弹性常数进行计算,在此基础上根据V-R-H近似可得到其多晶弹性模量。计算结果表明,稀土元素掺杂均会降低α-Fe的弹性常数和弹性模量,其中Ce元素对其降低的程度最大。Pugh判据、泊松比ν和柯西压力C′的计算结果均表明Fe-Ce固溶体呈脆性,其余稀土元素掺杂后的固溶体均呈塑性。同时掺杂会提升其弹性各向异性,在所有的稀土元素中,掺杂Ce元素对弹性各向异性的提升最小。晶体的塑性变形能力可由广义层错能来进行表征。首先对体心立方结构α-Fe三个主要滑移系{110}<111>、{112}<111>和{123}<111>的广义层错能进行了计算,计算结果表明{110}<111>滑移系的不稳定层错能γ_us最小,意味着在该滑移系上产生塑性变形所需克服的势垒最小。掺杂稀土元素后,各滑移系的广义层错能曲线均有一定程度的降低,表明稀土元素掺杂对各滑移系的开动都有一定的促进作用。Fe-Ce金属间化合物的生成焓和结合能计算结果表明,在0 K下只有CeFe₂能够自发生成,且其稳定性相对最强,并根据电子态密度对三种化合物的稳定性进行了进一步的判断。弹性性能计算结果表明三种化合物均满足机械稳定性,且均呈韧性,其中CeFe₂的韧性最好,各向异性最低。最后基于准谐近似对最稳定相CeFe₂的热力学性质进行了计算,得到了CeFe₂的声子谱和相应的声子态密度,在此基础上进一步求出了Helmholtz自由能、体模量、膨胀系数、热容随温度的变化关系。