鈦金屬氫脆的計算模擬.pdf

1、金屬氫脆的現(xiàn)象早已為人們所認知，而關于氫脆的機理仍然存在著爭議。鈦金屬是適用于航空等尖端領域的材料，其氫脆的發(fā)生易造成較大的經(jīng)濟損失。計算模擬有助于在實驗的基礎上更深入的研究鈦金屬氫脆的機理，從而更好的避免氫脆的發(fā)生。計算模擬中最關鍵的因素是原子間作用勢的選取，由于鈦金屬與氫元素的電子排布差異較大，因此其作用勢較難描述。改進嵌入原子理論在氫脆相關的計算中得到較為廣泛的應用，計算結(jié)果能夠準確反應金屬與氫元素的物理性質(zhì)。本論文的研究重點即為

2、計算鈦金屬與氫元素之間的改進嵌入原子勢能。
　　 使用第一原理方法計算鈦氫合金改進嵌入原子勢能中的部分參數(shù)，計算不借助任何經(jīng)驗值，計算精度較好。使用局域密度近似處理密度泛函理論中的交互-關聯(lián)能量方程，原子間相互作用勢采用Troullier-Martins贗勢。電子占據(jù)態(tài)的處理方式是將鈦原子的3p軌道視為價電子。計算參數(shù)的設置為：P(?)1m(162號)空間群，240eV的平面截斷能量，0.27eV的高斯能帶展寬計算費米能，k點簡

3、化使用4×4×2的Monkhorst-Pack網(wǎng)格。計算模型為氫原子位于鈦原子組成的八面體間隙的中心位置。計算得出鈦氫合金的體積模量B，形成熱ΔE和原子電子密度范圍因子ρ0。其中體積模量B和形成熱ΔE分別用于計算改進嵌入原子勢能參數(shù)中的統(tǒng)一方程結(jié)構(gòu)因子α和粘附能Ec，而電子密度范圍因子ρ0為合金的勢能參數(shù)之一?；贖ill模型，本論文計算出鈦氫合金的彈性性質(zhì)。根據(jù)PUGH判據(jù)，鈦氫合金的體積模量與剪切模量之比GHill/BHill=0.

4、62＞0.5，即材料呈現(xiàn)脆性，在內(nèi)應力的作用下容易產(chǎn)生脆斷。
　　 鈦氫合金的其余勢能參數(shù)應用改進嵌入原子理論進行了求導。計算得出的勢能參數(shù)有截斷距離，平衡距離，粘附能，統(tǒng)一能量方程的結(jié)構(gòu)因子以及八個屏蔽因子。鈦氫合金的勢能確定之后，使用分子動力學方法模擬了正則系綜下OK時的鈦雙晶晶界與間隙氫原子相互作用的力學行為，模型中晶界面的垂直方向(Y軸)采用有限邊界，而其余兩個方向采用周期性邊界。使用Verlet速度方法和單獨的時間積分

5、共同作用實現(xiàn)溫度控制。模擬的時間步長是10-4ps，總計進行106步的運算。其中純元素的勢能參數(shù)使用Baskes和Lee等人的計算值，而合金的勢能采用本論文的計算值。模擬了氫原子位于∑7(12(?)0)/[0001]、∑13(11(?)0)/[0001]和∑13(10(?)1)/[1(?)10]晶界附近的力學行為，并且計算了鈦氫合金的晶格常數(shù)，c/a比率，體積模量以及形成熱。計算結(jié)果基本符合實驗值和第一原理計算值，并且通過對比三個晶界受