| 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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