若干新材料相穩(wěn)定性及力學(xué)性能的第一性原理研究.pdf

1、隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值算法的飛速發(fā)展,基于密度泛函理論的第一性原理計算方法已成為研究材料性能的重要手段。第一性原理計算方法在研究材料晶格缺陷、相穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)方面的有效性已被廣泛認(rèn)可。本論文采用第一性原理計算方法對三種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒Y(jié)構(gòu)材料(Laves相金屬間化合物、低模量β-Ti合金和Co基γ/γ’雙相高溫合金)的晶格缺陷、相穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了理論研究,研究內(nèi)容主要包括合金元素晶格占位傾向、相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、彈性模量、理論強(qiáng)度和磁

2、性等方面。上述理論研究為三種結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。第一章簡要介紹了計算材料學(xué)的基本框架和基于密度泛函理論的第一性原理計算方法的發(fā)展歷程。在本章的最后,本文介紹了第一性原理計算方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用。第二章采用第一性原理計算方法研究了過渡族金屬元素在C15結(jié)構(gòu)NbCr2和ZrCr2 Laves相金屬間化合物中的晶格占位,C15結(jié)構(gòu)XCr2(X=Nb,Zr和Ti)和TiCo2 Laves相金屬間化合物的理論強(qiáng)度。研究結(jié)果表明,對

3、NbCr2化合物而言,Ti和Zr優(yōu)先占據(jù)Nb的晶格位置,V、Mo和W則優(yōu)先占據(jù)Cr的晶格位置;對ZrCr2化合物而言,Ti和Nb優(yōu)先占據(jù)Zr的晶格位置,V、Mo和W則優(yōu)先占據(jù)Cr的晶格位置。合金元素在Cr基Laves相化合物中的晶格占位行為不能簡單的歸因于原子尺寸因素和價電子濃度效應(yīng)。合金元素晶格占位行為的物理本質(zhì)可以通過合金原子與基體原子之間的雜化效應(yīng)以及合金元素不同晶格占位方式對Laves相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響來進(jìn)行解釋。Laves相化

4、合物理論強(qiáng)度的計算結(jié)果表明,NbCr2沿{111}＜112＞方向的剪切強(qiáng)度高于NbCr2在＜001＞方向的拉伸強(qiáng)度,導(dǎo)致了NbCr2化合物易于沿＜001＞方向發(fā)生脆性斷裂。C15 Cr基Laves相化合物材料的斷裂解理面是{001}面。C15 Cr基Laves相化合物理論拉伸強(qiáng)度的決定因素是原子之間的鍵合強(qiáng)度。TiCr2、NbCr2和ZrCr2化合物在＜001＞方向的拉伸強(qiáng)度分別為28.51 GPa、28.17 GPa和23.32 GP

5、a,對應(yīng)的斷裂應(yīng)變量均為32％。TiCo2化合物在＜001＞方向的拉伸強(qiáng)度為26.35 GPa,對應(yīng)的斷裂應(yīng)變量為26%。第三章采用第一性原理計算方法研究了β型Ti-X(X=Nb、Mo和Ta)合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì)。計算結(jié)果表明,隨著X元素含量的增加,β立方結(jié)構(gòu)Ti-Mo合金的晶格常數(shù)逐漸減小,而Ti-Nb和Ti-Ta合金的晶格常數(shù)卻逐漸增大。β結(jié)構(gòu)Ti-X合金的內(nèi)聚能隨著X元素含量的增加而逐漸提高。β結(jié)構(gòu)Ti-X合金的結(jié)

6、構(gòu)穩(wěn)定性隨過渡族元素X含量即合金價電子濃度e/a的增加而提高。從晶體彈性穩(wěn)定性準(zhǔn)則分析,合金的價電子濃度為4.10是Ti-X合金以亞穩(wěn)態(tài)β立方結(jié)構(gòu)成立的臨界點(diǎn)。β結(jié)構(gòu)Ti-X合金的體模量、剪切模量和楊氏模量隨著合金價電子濃度即合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的升高近似線性增加。當(dāng)合金價電子濃度為4.10時,β結(jié)構(gòu)Ti-X合金具有最低的彈性模量。β結(jié)構(gòu)Ti-X合金的彈性模量與晶格常數(shù)之間沒有明確的對應(yīng)關(guān)系,因此不能以合金晶格常數(shù)變化來預(yù)測合金中原子的結(jié)合力

7、及其彈性性質(zhì)。Ti-25 at.% Nb合金中β、α’’和ω相均滿足其結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定性要求,即三種相均有可能以亞穩(wěn)相形式存在,其中α’’相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最高,而β相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最低;在Ti-25 at.% Nb合金中ω相具有最高彈性模量,β相則具有最低彈性模量。第四章采用第一性原理計算方法研究了Co-Al(Ge)-W三元合金中Co3(Al,W)和Co3(Ge,W)γ’析出相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、磁性和彈性性質(zhì)。計算結(jié)果表明,Co3(Al,W)和Co

8、3(Ge,W)析出相能以L12結(jié)構(gòu)存在。L12 Co3(Al,W)和Co3(Ge,W)化合物的彈性模量均高于Co基體,Co3(Al,W)和Co3(Ge,W)化合物的析出對Co合金基體能起到模量強(qiáng)化作用。L12結(jié)構(gòu)Co3(Al,W)化合物具有磁性,其磁矩為~0.50μB/atom,自旋極化效應(yīng)對具有磁性的L12結(jié)構(gòu)Co3(Al,W)化合物的彈性性質(zhì)計算是不可忽略的。自由形成能的計算結(jié)果表明,當(dāng)溫度為1173 K且W元素含量高于23 at.