Laves相TaCr2摻雜與塑性變形機(jī)制的第一性原理研究.pdf

1、Laves相TaCr2是一種潛在的新型高溫結(jié)構(gòu)材料，但是Laves相TaCr2通常呈現(xiàn)出較差的室溫脆性，這極大地限制了其工業(yè)化應(yīng)用。本文采用密度泛函理論的平面波贗勢(shì)的第一性原理方法對(duì)Laves相TaCr2在C14、C15和C36三種幾何結(jié)構(gòu)下的晶格結(jié)構(gòu)和在C15-TaCr2中添加M(M=Zr、W、Ru、V、Nb)合金不同原子百分比濃度三元相的相穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行研究，并對(duì)C15-TaCr2沿<001>、<110>和<111>

2、方向的理論拉伸強(qiáng)度以及{111}<112>方向的理論剪切強(qiáng)度進(jìn)行分析，探索揭示Laves相TaCr2化合物的塑性變形機(jī)制，為最終改善TaCr2合金的室溫脆性以及設(shè)計(jì)新型Ta-Cr高溫合金提供理論依據(jù)。
　　首先，采用第一性原理方法對(duì)C14、C15和C36三種結(jié)構(gòu)下的Laves相TaCr2進(jìn)行幾何優(yōu)化，并計(jì)算三種結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。計(jì)算獲得的C15、C14和C36結(jié)構(gòu)的平衡晶格常數(shù)與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。對(duì)計(jì)算的生成焓、結(jié)合能以及電

3、子結(jié)構(gòu)分析可知，其中C15結(jié)構(gòu)合金化能力最強(qiáng)，相穩(wěn)定性的大小為：C36　　然后，對(duì)添加或摻雜合金元素M(M=Zr、W、Ru、V、Nb)的C15-TaCr2的晶格占位方式進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)占位情況，摻雜不同原子百分比濃度M元素到C15-TaCr2來計(jì)算其晶格結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。對(duì)晶格占位能分析可知，Zr和Nb元素傾向于優(yōu)先占據(jù)Laves相C15-TaCr2中Ta原子的

4、晶格位置，而W、Ru和V都傾向于優(yōu)先占據(jù)Cr原子的晶格位置。通過分析摻雜原子百分比濃度為4.17％的M元素后各三元相與C15-TaCr2費(fèi)米能級(jí)的費(fèi)米能值得出相穩(wěn)定性的大小為：Ta7ZrCr16

5、、V和Nb元素都可以降低C15-TaCr2的脆性，添加少量這些合金可能對(duì)硬度影響不大；摻雜Zr、W和V元素時(shí)使C15-TaCr2的各向異性程度減小。計(jì)算不同原子百分比濃度三元相的力學(xué)性能得出改善C15-TaCr2的脆性效果最佳的元素是W元素，并且摻雜濃度在12.50%～20.83%之間時(shí)效果最好。
　　最后，計(jì)算壓力下Laves相TaCr2化合物的相變情況和C15-TaCr2沿<001>、<110>和<111>方向的理論拉伸強(qiáng)度以

6、及{111}<112>方向的理論剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明施加壓力C14、C15和C36-TaCr2的脆性逐漸減小，從計(jì)算的0～150 GPa壓力下TaCr2各結(jié)構(gòu)生成焓得出C15轉(zhuǎn)變C14結(jié)構(gòu)的第一個(gè)相變壓力約為10GPa，C14向C36轉(zhuǎn)變的第二個(gè)相變壓力約為105GPa。C15-TaCr2沿<001>、<110>和<111>方向理論抗拉強(qiáng)度分別約為35GPa、36GPa和38GPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量為13.47％、19.31％和16.95