氫在鈦晶體中作用的第一原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、近年來鈦合金氫處理技術(shù)和理論的研究得到眾多材料工作者的重視，對(duì)鈦合金的氫處理工藝、氫處理后合金的力學(xué)性能、加工性能以及組織結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了大量研究，并取得了很多成果。但對(duì)于氫致鈦合金熱塑性機(jī)理的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，缺乏從電子、原子尺度上闡述氫在鈦及鈦合金中的作用機(jī)理，以及從物理本質(zhì)上揭示氫致熱塑性機(jī)理的理論研究工作。本文采用第一原理平面波贗勢(shì)方法和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法系統(tǒng)研究了 Ti-H體系的晶體結(jié)構(gòu)、能量性質(zhì)、原子擴(kuò)散性質(zhì)、彈性性質(zhì)和力學(xué)

2、性質(zhì)，從電子和原子層次上揭示了氫在鈦晶體中的作用機(jī)理。
　　氫在鈦晶體中的占位是建立合理的鈦-氫晶體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)而進(jìn)行各種性質(zhì)計(jì)算的基礎(chǔ)，本文首先采用第一原理方法研究了氫在鈦晶體中的占位。結(jié)果表明，相同氫含量的α-Ti-H和β-Ti-H晶體中，氫原子位于八面體間隙時(shí)的晶體點(diǎn)陣畸變程度比氫原子位于四面體間隙時(shí)小，而其溶解熱絕對(duì)值比氫位于四面體間隙時(shí)大。氫原子在α-Ti和β-Ti晶體中均傾向于占據(jù)八面體間隙位置。氫原子占據(jù)α-Ti晶體的

3、八面體間隙后，其最近鄰 Ti原子的3p軌道部分電子向氫原子1s軌道轉(zhuǎn)移，H原子與最近鄰Ti原子間的鍵共價(jià)性較強(qiáng)。氫原子改變了其最近鄰鈦原子的電子態(tài)密度，降低了 Ti-Ti原子間成鍵的強(qiáng)度，氫在α-Ti中存在弱鍵效應(yīng)。氫原子占據(jù)β-Ti晶體的八面體間隙后，改變了其周圍鈦原子的電子態(tài)密度，提高了 Ti-Ti原子間的成鍵強(qiáng)度，氫在β-Ti中存在強(qiáng)鍵效應(yīng)。
　　原子間的相互作用勢(shì)是分子動(dòng)力學(xué)模擬的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文在 EAM模型的基礎(chǔ)上，結(jié)

4、合 Johnson的分析型 EAM模型，建立了 Ti-H體系的EAM作用勢(shì)模型。采用Johson的分析型 EAM模型確定了 Ti原子的勢(shì)函數(shù)表達(dá)式，給出了模型參數(shù)；提出了新的H原子的勢(shì)函數(shù)表達(dá)式，通過擬合面心立方金屬氫的晶格常數(shù)、結(jié)合能、體積模量的第一原理計(jì)算結(jié)果以及氫在鈦中的溶解熱確定了模型參數(shù)?；诖四Ｐ?，采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬計(jì)算了 Ti-H晶體的結(jié)構(gòu)和能量性質(zhì)以及氫在α-Ti-H晶體中的溶解體積和溶解熱，模擬結(jié)果驗(yàn)證了所建模型的

5、合理性和可靠性。
　　基于本文建立的Ti-H體系 EAM模型，采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了氫在α-Ti和β-Ti晶體中的擴(kuò)散機(jī)制。氫原子在α-Ti晶體中的擴(kuò)散存在各向異性，沿c軸方向擴(kuò)散的激活能要小于沿基平面擴(kuò)散的激活能，在基平面上的擴(kuò)散機(jī)制為 O-T-O擴(kuò)散。氫在β-Ti晶體中的擴(kuò)散機(jī)制為最近鄰八面體間隙之間的直線跳躍。計(jì)算了氫在α-Ti和β-Ti晶體中的擴(kuò)散激活能和頻率因子，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和其它計(jì)算結(jié)果吻合較好。
　　基

6、于本文建立的Ti-H體系 EAM模型，采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了氫對(duì)α-Ti和β-Ti晶體中鈦原子自擴(kuò)散性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，氫降低了α-Ti晶體的單空位形成能和鈦原子自擴(kuò)散遷移能及激活能，提高了鈦原子自擴(kuò)散激系數(shù)，促進(jìn)了鈦原子自擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氫提高了β-Ti晶體的單空位形成能和鈦原子自擴(kuò)散遷移能和激活能，降低了鈦原子自擴(kuò)散激系數(shù)，阻礙了鈦原子自擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。
　　計(jì)算了α-Ti-H和β-Ti-H晶體的彈性模量。結(jié)果表明，氫提高了α-Ti晶

7、體的體彈性模量，降低了α-Ti晶體的楊氏模量和剪切模量；不同氫含量的β-Ti-H晶體的體彈性模量、楊氏彈性模量和剪切彈性模量的計(jì)算值均大于β-Ti晶體的計(jì)算值，氫提高了β-Ti晶體的彈性模量。
　　基于本文建立的Ti-H體系 EAM模型，采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了 Ti和Ti-H晶體的變形行為。結(jié)果表明，α-Ti-H晶體沿 c軸斷裂的的拉應(yīng)力臨界值和沿{0001}<1210>剪切的切應(yīng)力臨界值隨著溫度的升高和氫含量的增加而下降。氫降