V-Ta合金力學(xué)性能的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本論文以V合金作為研究對(duì)象，采用計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)合金的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，以期設(shè)計(jì)開發(fā)出力學(xué)性能、特別是高溫力學(xué)性能優(yōu)異的V合金。
　　采用相圖計(jì)算方法計(jì)算優(yōu)化了V-Ta，V-W，V-Ti二元V合金體系的相圖，獲得它們組成相的Gibbs自由能與成分溫度關(guān)系的表達(dá)式。(1)計(jì)算所得V-Ta體系相圖的液相與BCC相之間的相區(qū)分界線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合欠佳，Ta含量為50 at.％以下合金的固/液平衡點(diǎn)高于實(shí)驗(yàn)值，且計(jì)算出的相圖中沒(méi)有顯

2、示C14相區(qū)。(2)V-W體系的相組成較簡(jiǎn)單，優(yōu)化結(jié)果較準(zhǔn)確，V-Ti體系的相圖計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好。由V-Ta體系的二元相圖計(jì)算結(jié)果得到在Ta含量低于30wt.％時(shí)V-Ta合金從常溫至1200℃高溫下熱力學(xué)穩(wěn)定。
　　通過(guò)第一性原理計(jì)算彈性常數(shù)得到成分為V-10 wt.％Ta左右的合金體系的拉伸和剪切強(qiáng)度大于純V和其他Ta含量較高的合金體系，且表征其塑性的柯西壓力C'及B/G的值與純V接近，由此推斷其強(qiáng)度和塑性良好。理想

3、拉伸強(qiáng)度的計(jì)算也表明V-10 wt.％Ta體系強(qiáng)度較高，但是與理想拉伸和剪切強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的塑性指標(biāo)κ值對(duì)其塑性的預(yù)測(cè)結(jié)果不佳。電子態(tài)密度的計(jì)算則表明Ta與V能夠形成一定程度的共價(jià)鍵，強(qiáng)化合金。
　　標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)得到二元V-Ta合金的強(qiáng)度隨著Ta含量的增加而增加，但塑性降低。當(dāng)Ta含量為10 wt.％時(shí)，其室溫抗拉強(qiáng)度能達(dá)到478.6MPa，大于同等制備和熱處理工藝下得到的V-5Cr-5Ti的308.0MPa，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別

4、為30.7％和60.8％。V-10 wt.％Ta體系在幾種成分的V-Ta合金中力學(xué)性能最好，與計(jì)算相吻合。在1100℃溫度下V-15 wt.％Ta體系的抗拉強(qiáng)度為122.6MPa，大于V-5Cr-5Ti的102.6MPa，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別為40.6％和67.3％; Ta含量為10 wt.％的合金在1100℃下的塑性表現(xiàn)最好，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率為57.9％和82.0％，但強(qiáng)度較低，為83.4MPa。
　　Ta含量為30 wt.

5、％左右的二元V-Ta合金的密度與不銹鋼接近，但是其脆性明顯，在不改變合金密度的情況下考慮向二元體系中添加第三組元以改善其力學(xué)行為。用第一性原理方法計(jì)算幾種三元合金體系的彈性常數(shù)，得到當(dāng)在V-30 wt.％Ta體系中引入Fe元素后，體系的理想拉伸和剪切強(qiáng)度為17GPa和7GPa左右，大于純V的11GPa和5GPa及其他元素固溶的合金體系。V-Ta-Fe體系的塑性參量κ也與純V的κ值接近，說(shuō)明其可能具有良好的塑性。倘若強(qiáng)度要求已達(dá)到且用柯西