题名 | 合金化对TiNi合金马氏体相变影响的第一原理研究 |
作者 | 吕建民 |
学位类别 | 博士 |
答辩日期 | 2007-06-05 |
授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
授予地点 | 金属研究所 |
导师 | 杨锐 |
关键词 | TiNi合金 第一原理计算 点缺陷 合金元素 马氏体相变 |
其他题名 | Alloying Effects on Martensitic Transformation of TiNi Alloys from First-Principles Investigations |
学位专业 | 材料物理与化学 |
中文摘要 | TiNi基合金因具有良好的形状记忆效应、超弹性、耐腐蚀性、生物相容性等性能而成为最重要的形状记忆合金之一,在航空、航天、机械、仪表、汽车制造、生物医学等领域获得广泛应用。然而,随着TiNi合金应用范围不断拓展,人们对它的使役性能提出越来越严格的要求。从物理本质上掌握TiNi合金形状记忆效应及力学性能的相关机制和规律,是进行合金设计的必要前提。第一原理计算基本不借助实验测量值和经验参数,可进行独立计算以预测材料的物理化学性质,是真正意义的预测。将第一原理方法应用到TiNi合金设计,将为人们认识这类合金的物理本质提供强有力的手段。 本文用两种第一原理方法,平面波赝势方法(Plane-Wave Pseudopotential,PW-PP)和精确饼模轨道-相干势近似方法(Exact Muffin-Tin Orbitals within Coherent Potential Approximation, EMTO-CPA),研究了点缺陷和合金元素对TiNi合金马氏体相变的影响。 研究了TiNi二元合金的点缺陷行为。采用统计力学结合第一原理计算的方法,计算了TiNi合金的点缺陷浓度,结果显示,TiNi是反位型金属间化合物,即在富Ti合金中,过量的Ti占据Ni子晶格成为反位缺陷,空位浓度相对较低;而在富Ni合金中,过量的Ni占据Ti子晶格成为反位缺陷,空位浓度也很低。在很高温度时,富Ti成分合金存在相当数量的空位。计算点缺陷间的互作用能发现,Ti反位原子与Ni反位原子在最近邻处互相吸引,而两个Ti反位原子在次近邻处互相吸引,同时两个Ni反位原子却相互排斥,这容易导致合金中Ti富集区的出现,如果Ti富集区的Ti浓度达到一定临界值,就容易出现富Ti析出相,这也解释了TiNi能固溶一定量的Ni但几乎不固溶Ti原子的实验现象。 研究了成分对TiNi合金性能的影响。结果显示,富Ni成分区间内随Ni含量增加,非基面剪切(001) [1 0]的剪切模量c44不断升高,而基面剪切(110) [1 0]的剪切模量c'不断下降。c44升高是起降低马氏体相变开始温度Ms作用的因素,c'降低则是起提高Ms作用的因素,随Ni含量增加,c44的增长速率超过了c',降低Ms的因素起了主导作用,二者相互作用的结果使得Ms随Ni含量增加而降低。各向异性常数A(c44/c')随Ni含量增加而升高,表明c44与c'耦合程度降低,马氏体相变发生单斜变形的难度加大。但A值没有大到足以阻止发生单斜变形,TiNi合金马氏体相变的产物仍然是B19'单斜相。Ni含量的增加使G/B比缓慢上升,降低了TiNi合金的韧塑性,但G/B比总体还处于较低值,所以TiNi合金总体上还是韧塑性较好的。 利用第一原理程序EMTO-CPA,计算了12种TiNiX三元合金随合金成分变化的形成热,从相稳定性上确定合金原子X的占位倾向,结果显示,合金原子Al、Sc、Zr具有优先占据TiNi合金Ti子晶格的强烈倾向;Cr、Mn、Fe、Co具有优先占据Ni子晶格的强烈倾向;V、Cu、Au、Pd、Pt没有占据某一子晶格的偏向,其在子晶格上的分布与合金成分有关。用CASTEP程序计算了合金原子占据Ti/Ni子晶格时与周围原子的成键电荷密度,基本趋势是,若合金原子占据Ti子晶格时与周围原子形成的化学键强于它占据Ni子晶格时形成的化学键,则合金原子倾向于占据Ti子晶格;反之,则倾向于占据Ni子晶格。 从弹性稳定性角度出发,用EMTO-CPA方法计算了12种TiNiX三元合金B2母相的弹性模量c44和c'随合金成分的变化,分析了合金原子X对马氏体相变的影响,主要结果有:(1) 富Ni合金Ti50-xNi50Alx中,Al同时提高剪切模量c44和c',增大了剪切的困难,将降低马氏体相变温度。富Ni合金Ti50-xNi50Scx合金中,Sc小幅降低c44,但大幅提高c',二者综合作用也将增大剪切的困难,降低马氏体相变温度。(2) 富Ni合金Ti50-xNi50Vx的中,V基本不改变c44,但大幅度降低c',从而减小了剪切的阻力,将提高马氏体相变温度。富Ni合金Ti50-xNi50Zrx的中,随Zr含量增加,c44先微弱上升后缓慢下降,c'平稳上升,二者联合作用结果将是先降低后升高马氏体相变温度。(3) 富Ti合金Ti50Ni50-xXx(X = V、Cr、Mn、Fe、Co)中,合金原子基本不改变或微弱提高c44,但大幅提高c',二者综合作用也将增大剪切的困难,降低马氏体相变温度。富Ti合金Ti50Ni50-xCux中,Cu小幅提高c44同时小幅降低c',c44起的作用稍大,二者联合作用将小幅降低马氏体相变温度。(4) 富Ti合金Ti50Ni50-xXx(X=Pd、Pt、Au)中,合金原子都使c'直线下降,但对c44的影响不同:Pd先提高后降低c44,Pt和Au先提高后基本不改变c44,二者综合作用将使剪切变形先难后易,从而使相变温度先下降后上升。可见TiNiX三元合金中,合金原子的添加影响到剪切模量c44和c',二者的联合作用决定着马氏体相变温度,影响力有高低之分,基本趋势是:合金原子若对c44影响小,则只有使c'变化剧烈时,才会影响到相变温度的走势;合金原子若对c'影响小,c44的变化将基本决定相变温度的走势。 |
语种 | 中文 |
公开日期 | 2012-04-10 |
页码 | 158 |
内容类型 | 学位论文 |
源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16928] ![]() |
专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
推荐引用方式 GB/T 7714 | 吕建民. 合金化对TiNi合金马氏体相变影响的第一原理研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2007. |
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