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TiAl金属间化合物力学性质及理论机制的计算研究
作 者: 高丽洁
导 师: 周惦武
学 校: 湖南大学
专 业: 机械制造及其自动化
关键词: TiAl 合金形成热 电子态密度 弹性常数 第一性原理计算
分类号: TG146.23
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 243次
引 用: 3次
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内容摘要
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TiAl合金由于具有密度小,高温性能好等诸多优点,在航天、航空等行业深受青睐,然而力学性质尤其脆性大限制了其广泛应用。为致力将TiAl合金发展成实际应用的航空、航天材料,目前国内外科研工作者在采用合金化及热加工等手段来改善其脆性等方面开展了大量工作,本论文选取TiAl合金作为研究对象,依托改善TiAl合金力学性质的部分实验结果为背景,建立合金形成热、弹性常数等微观物理量与合金体系相结构稳定性、力学性质等宏观性能的对应关系,通过第一性原理的计算方法获得TiAl合金的微观物理特征量及各种电子结构信息,在研究TiAl合金基本物理性质的基础上,以Zn、Co、Fe、Sc、Nb、V、Cu、Cr原子置换TiAl中的Al来考查合金化效应对体系结构稳定性与力学性质的影响,基于电子机制的分析,探讨合金化提高TiAl体系力学性质的理论机制。计算了富Al和富Ti两种TiAl合金体系的平衡晶格常数、合金形成热、态密度和能带,发现平衡晶格常数计算值与实验值和他人计算值基本吻合；富Al的TiAl合金的结构稳定性优于富Ti的TiAl合金；富Al的TiAl合金的结构稳定性优于富Ti的TiAl合金的主要原因在于富Al的TiAl合金在费米能级上的成键电子数少于富Ti的TiAl合金。计算了Zn、Co、Fe、Sc、Nb、V、Cu、Cr合金化富Al的TiAl合金体系的合金形成热与态密度,发现合金化原子置换TiAl中的Al后,体系的合金形成热均为负值,合金化后TiAl体系均能形成稳定结构；合金化原子占据TiAl中的Al原子的能力由强到弱的次序依次是Zn、Co、Fe、Sc、Nb、V、Cu、Cr;合金化后结构的稳定性由好到差依次是Zn、Co、Fe、Sc、Nb、V、Cu、Cr;合金化后结构稳定性的强弱主要取决于费米能级附近电子杂化成键作用的强弱。计算了Zn、Co、Fe、Sc、Nb、V、Cu、Cr合金化富Al的TiAl合金体系的弹性常数、杨氏模量E、剪切模量G、体模量B、泊松比v和电子密度,发现合金化后使TiAl合金的硬度降低,硬度高低次序为：V-TiAl>Nb-TiAl> Cr-TiAl> Sc-TiAl>Co-TiAl> Zn-TiAl>TiAl>Fe-TiAl>Cu-TiAl;以G/B衡量,合金化体系延性逐渐变差顺序为：Fe-TiAl> Cr-TiAl> Co-TiAl> TiAl>V-TiAl> Nb-TiAl >Cu-TiAl> Zn-TiAl> Sc-TiAl;以C12-C44衡量,合金化体系延性逐渐变差顺序为：Fe-TiAl> Cr-TiAl> Co-TiAl> Cu-TiAl>V-TiAl> Nb-TiAl>Zn-TiAl> Sc-TiAl> TiAl; Fe、Cr、Co合金化均能都提高TiAl合金的延性；合金化后TiAl合金的原子平均价键强度由大到小的次序为：Fe-TiAl>Cr-TiAl>Co-TiAl> V-TiAl> TiAl>Nb-TiAl>Zn-TiAl>Cu-TiAl>Sc-TiAl;电子密度的分析结果较好解释了Fe、Cr.Co合金化后能提高TiAl的延性的原因。
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全文目录
摘要 5-7
Abstract 7-12
第1章 绪论 12-20
1.1 金属间化合物的研究背景及意义 12-13
1.2 TiAl金属间化合物的研究现状 13-15
1.2.1 晶体结构与性质 13-14
1.2.2 Ti-Al二元相图 14-15
1.3 TiAl金属间化合物目前存在的问题 15
1.4 改善TiAl金属间化合物脆性的实验结果 15-16
1.5 计算材料学及计算模拟方法简介 16-18
1.5.1 第一性原理计算法(FP法) 16-17
1.5.2 分子动力学方法(MD法) 17
1.5.3 蒙特卡洛方法(MC法) 17-18
1.5.4 有限元法(FEM法) 18
1.6 本文的研究目的与主要内容 18-20
第2章 第一性原理计算和密度泛函理论 20-34
2.1 多粒子系统的定态薛定谔(Schrodinger)方程 20-21
2.2 绝热近似 21-22
2.3 Hartree-Fock近似 22-23
2.4 密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT) 23-28
2.4.1 Thomas-Fermi模型 24
2.4.2 Hohenberg-Kohn定理 24-25
2.4.3 Kohn-Sham方程 25
2.4.4 交换关联能的近似 25-27
2.4.5 自洽场计算 27-28
2.5 基本物理量 28-29
2.5.1 能带结构 28-29
2.5.2 态密度 29
2.5.3 Mulliken集居数分析 29
2.5.4 电荷密度图 29
2.6 Material Studio计算软件——CASTEP模块 29-33
2.6.1 CASTEP模块简介 30-31
2.6.2 赝势 31-32
2.6.3 平面波 32
2.6.4 相关参数 32-33
2.7 本章小结 33-34
第3章 TiAl金属间化合物基本物性的计算与比较 34-39
3.1 引言 34
3.2 计算模型与条件 34-35
3.2.1 晶体结构模型 34-35
3.2.2 计算条件 35
3.3 计算结果与讨论 35-38
3.3.1 结构优化后的平衡晶格常数 36
3.3.2 合金形成热 36-37
3.3.3 富Al和富Ti的TiAl体系态密度和分态密度 37-38
3.3.4 富Al和富Ti的TiAl体系能带 38
3.4 本章小结 38-39
第4章 合金化元素在TiAl中的占位计算 39-47
4.1 引言 39-40
4.2 计算模型与条件 40
4.2.1 晶体结构模型 40
4.2.2 计算条件 40
4.3 计算结果与讨论 40-46
4.3.1 平衡晶格常数 40-41
4.3.2 合金形成热 41-42
4.3.3 态密度 42-46
4.4 本章小结 46-47
第5章 合金化后TiAl-Al力学性质的计算 47-60
5.1 引言 47
5.2 计算理论与条件 47-50
5.2.1 计算模型与公式 47-49
5.2.2 计算条件 49-50
5.3 计算结果与讨论 50-58
5.3.1 弹性模量 50-51
5.3.2 合金化后对TiAl硬度的影响 51-52
5.3.3 合金化后对TiAl延性的影响 52-54
5.3.4 合金化后对TiAl原子平均价键的影响 54
5.3.5 合金化后的电子密度 54-58
5.4 本章小结 58-60
结论 60-63
参考文献 63-68
致谢 68
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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 轻有色金属及其合金 > 钛
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