鈦金屬氫脆的計(jì)算模擬.pdf

1、金屬氫脆的現(xiàn)象早已為人們所認(rèn)知，而關(guān)于氫脆的機(jī)理仍然存在著爭(zhēng)議。鈦金屬是適用于航空等尖端領(lǐng)域的材料，其氫脆的發(fā)生易造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。計(jì)算模擬有助于在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上更深入的研究鈦金屬氫脆的機(jī)理，從而更好的避免氫脆的發(fā)生。計(jì)算模擬中最關(guān)鍵的因素是原子間作用勢(shì)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(shì)較難描述。改進(jìn)嵌入原子理論在氫脆相關(guān)的計(jì)算中得到較為廣泛的應(yīng)用，計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確反應(yīng)金屬與氫元素的物理性質(zhì)。本論文的研究重點(diǎn)即為

2、計(jì)算鈦金屬與氫元素之間的改進(jìn)嵌入原子勢(shì)能。
　　 使用第一原理方法計(jì)算鈦氫合金改進(jìn)嵌入原子勢(shì)能中的部分參數(shù)，計(jì)算不借助任何經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)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(guān)聯(lián)能量方程，原子間相互作用勢(shì)采用Troullier-Martins贗勢(shì)。電子占據(jù)態(tài)的處理方式是將鈦原子的3p軌道視為價(jià)電子。計(jì)算參數(shù)的設(shè)置為：P(?)1m(162號(hào))空間群，240eV的平面截?cái)嗄芰浚?.27eV的高斯能帶展寬計(jì)算費(fèi)米能，k點(diǎn)簡(jiǎn)

3、化使用4×4×2的Monkhorst-Pack網(wǎng)格。計(jì)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(jì)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(jì)算改進(jìn)嵌入原子勢(shì)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(shì)能參數(shù)之一。基于Hill模型，本論文計(jì)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(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生脆斷。
　　 鈦氫合金的其余勢(shì)能參數(shù)應(yīng)用改進(jìn)嵌入原子理論進(jìn)行了求導(dǎo)。計(jì)算得出的勢(shì)能參數(shù)有截?cái)嗑嚯x，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(gè)屏蔽因子。鈦氫合金的勢(shì)能確定之后，使用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了正則系綜下OK時(shí)的鈦雙晶晶界與間隙氫原子相互作用的力學(xué)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(gè)方向采用周期性邊界。使用Verlet速度方法和單獨(dú)的時(shí)間積分

5、共同作用實(shí)現(xiàn)溫度控制。模擬的時(shí)間步長(zhǎng)是10-4ps，總計(jì)進(jìn)行106步的運(yùn)算。其中純?cè)氐膭?shì)能參數(shù)使用Baskes和Lee等人的計(jì)算值，而合金的勢(shì)能采用本論文的計(jì)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(xué)行為，并且計(jì)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(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)驗(yàn)值和第一原理計(jì)算值，并且通過(guò)對(duì)比三個(gè)晶界受