Al基Mg基和Ti基合金相穩(wěn)定性與彈性性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、隨著計算材料學(xué)的發(fā)展以及高性能計算機(jī)的出現(xiàn),采用理論計算方法開發(fā)和設(shè)計新型材料已成為材料研發(fā)的重要手段之一?；诹孔永碚摰牡谝恍栽矸椒ㄓ捎诓灰蕾囉诮?jīng)驗參數(shù),而越來越廣泛的應(yīng)用于材料性質(zhì)的探索和新材料的設(shè)計。作為輕質(zhì)合金的重要成員,鎂、鋁和鈦合金因其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)在汽車、航空航天以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了探索合金元素對鎂、鋁和鈦的穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)影響機(jī)制,本文采用第一性原理方法分析合金體系的穩(wěn)定性、彈性性質(zhì)以及電

2、子結(jié)構(gòu),為通過微合金化改善這三類輕質(zhì)金屬的相穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo),為擴(kuò)大這三類輕質(zhì)合金的應(yīng)用范圍提供參考。
　　本文分析了金屬單質(zhì)的彈性性能、結(jié)合能與電子結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。建立了體積、結(jié)合能、金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈性模量與金屬的鍵合臨界點處的電荷分布之間的關(guān)系。結(jié)果顯示,計算值與實驗值非常吻合,金屬的體彈性模量與鍵合臨界點處的電荷之間存在拋物線性關(guān)系。以鍵合臨界點上的電荷這個參數(shù)為媒介,可以很方便地推導(dǎo)和構(gòu)建金屬的體積、結(jié)合能

3、、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及體彈性模量間的關(guān)系。這些關(guān)系式的提出可以很方便地應(yīng)用于考察金屬的物理性質(zhì)。
　　對Al和Mg-金屬,本文從電子結(jié)構(gòu)角度詳細(xì)分析了元素X(作為合金元素X=Al,Mg,Ti,V,Cr,Fe,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Sn,Ta,W;作為雜質(zhì)元素X=H,C,N和O)對Mg和Al相穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)的影響機(jī)制。計算發(fā)現(xiàn),Sn元素對Mg和Al的相穩(wěn)定性的影響完全不同,Sn能提高M(jìn)g的穩(wěn)定性卻會降低Al的穩(wěn)定性。此外,雜質(zhì)元素

4、在Mg和Al中的占位行為也不盡相同,在Mg中,H和O傾向于占據(jù)四面體間隙位置,而C和N則傾向于占據(jù)八面體間隙位置;在Al中H,N和O將占據(jù)四面體間隙位置,而C則傾向于占據(jù)八面體間隙位置。本文詳細(xì)研究了合金元素和雜質(zhì)元素對Mg和Al彈性性質(zhì)的影響并考察了力學(xué)穩(wěn)定性。所有Mg-X和Al-X合金體系都符合力學(xué)穩(wěn)定性條件,Mg-X的(C11-C12)值對合金元素非常敏感,Al-Zr合金有非常小的C44從而該合金體系非常容易發(fā)生剪切變形。電子結(jié)構(gòu)

5、分析顯示合金及雜質(zhì)原子與基體中近鄰原子間的相互作用影響了基體的穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)。本文進(jìn)一步研究了合金元素和雜質(zhì)元素對Mg17Al12合金影響。Ca,Zr和La對Mg17Al12合金的性質(zhì)影響較大,Ni,Cu和Zn則相對較弱,雜質(zhì)原子氧傾向于占據(jù)在四個Mg原子的中間。就彈性性質(zhì)而言,合金元素顯著地降低Mg17Al12的泊松比值。
　　對金屬Ti,本文從電子結(jié)構(gòu)角度分析了合金元素Al,Cr,Cu,Fe,Mo,Nb,Ni,Sn,Ta,V

6、,W,和Zr對相穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)的影響機(jī)制,考察了合金元素對其馬氏體相變的影響機(jī)制,討論了雜質(zhì)元素H,C,N和O對鈦的相穩(wěn)定性和彈性性能的影響機(jī)制。分析顯示,上述所有合金元素都能穩(wěn)定β相,對α?和α?相有相似的影響,只有Al和Sn元素能夠增加ω相的穩(wěn)定性。合金元素的濃度對Ti的各個相的穩(wěn)定性的影響作用則幾乎一致。對二元及多元合金,計算結(jié)果表明,Nb可極大地改善β-Ti合金的穩(wěn)定性,同時Nb與其它合金元素的聯(lián)合作用亦可增強(qiáng)β-Ti的穩(wěn)定性

7、。此外,四種雜質(zhì)元素在Ti的各個相中都具有負(fù)的占位能,且占位傾向與雜質(zhì)濃度關(guān)聯(lián)較弱(除6.25at.％的O占據(jù)α?相體系外)。電子結(jié)構(gòu)分析顯示α?-Ti合金體系的態(tài)密度與純α-Ti非常相似,體系穩(wěn)定系與Tid電子在費米能級處的分布有一定關(guān)聯(lián),合金元素加入改變Tid電子在費米能級處的分布,從而影響相穩(wěn)定性。α?-Ti合金體系都滿足力學(xué)穩(wěn)定性條件,而α?相則不滿足力學(xué)穩(wěn)定性條件。四元合金Ti2448(Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金)

8、同時符合力學(xué)穩(wěn)定性和能量穩(wěn)定性條件,而且計算得到的Ti2448的楊氏模量與實驗值非常接近。
　　本文還研究了低維體系γ-TiAl表面和Mg/TiAl界面的穩(wěn)定性及氧、氫吸附對體系穩(wěn)定性的影響機(jī)制。計算結(jié)果顯示,O原子的吸附能與O、Ti及Al間的態(tài)密度重疊積分呈線性關(guān)系,O在γ-TiAl低指數(shù)面上吸附時存在O-Al和O-Ti鍵的競爭,O-Ti鍵略強(qiáng)于O-Al鍵使得O原子傾向于吸附在富Ti的環(huán)境,因此γ-TiAl氧化時更易于生成TiO