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β型钛合金相稳定性和弹性性能第一性原理研究

作　者: 吴昌义
导　师: 林建国
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: β型钛合金 弹性模量 第一性原理 价电子浓度
分类号: TG146.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


传统的钛合金具有优良的生物相容性、综合的力学性能、以及形状记忆性能和超弹性被广泛的成功应用于生物医用移植材料。但是近年来研究发现,传统钛合金由于弹性模量较高引发“应力屏蔽”效应,同时含有钒、铝以及镍元素,具有毒性引发过敏性反应。因此,设计开发新型无毒、低弹性模量生物医用β钛合金成为人们的研究热点。本论文运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了新型β钛合金的弹性性能和相结构的稳定性,提出了新型无毒、低弹性模量β钛合金理论设计原则。论文的主要结论如下:（1）二元β型Ti-Nb、Ti-Mo和Ti-Ta合金的β结构稳定性随着Nb、Mo和Ta含量的增加逐步增加,当其含量大于等于8.08%,3.7%和12.5% （原子百分数）时,能得到β相稳定结构,Nb、Mo和Ta对β结构稳定性影响的强弱顺序是:Mo>Nb>Ta。同时,三种二元合金的弹性模量E随着Nb、Mo和Ta含量的增加先减小后增加,当含量是25%时,三种合金系的弹性模量达到最小值,分别是37.5GPa、30.8GPa和37.9GPa。同时,进一步确定了具有最低弹性模量的二元β型Ti-Nb和Ti-Ta合金价电子浓度为4.25,Ti-Mo合金为4.5。（2） Ti6Mo2合金体系中的α、β和α"相的结构稳定性从强到弱的顺序是α">β>α,α相在Ti6Mo2合金体系中的不能稳定存在,且三种合金相的弹性模量从大到小的顺序是α>α">β。（3） Mo、Sn、Ta和Zr对bcc结构的Ti12Nb4的结构稳定性和弹性模量的影响各不相同,Mo和Ta元素既能够起到稳定β-Ti12Nb4相的作用,又能增加其合金相的弹性模量;Sn对β-Ti12Nb4相稳定性影响较小,而Zr却降低了β-Ti12Nb4相稳定性,且Sn和Zr对弹性模量的影响较小。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-18
  1.1 生物医用金属材料概述  8-9
  1.2 生物医用金属材料的发展  9-11
    1.2.1 贵金属系列  9-10
    1.2.2 医用不锈钢系列  10
    1.2.3 钴铬合金系列  10
    1.2.4 钛及钛合金系列  10-11
  1.3 生物医用钛及钛合金的发展  11-14
    1.3.1 Ti 和Ti-6Al-4V  11-12
    1.3.2 α+β型钛合金  12
    1.3.3 近β和β型钛合金  12-14
  1.4 生物医用钛合金弹性模量  14-16
  1.5 选题意义及主要研究内容  16-18
    1.5.1 选题意义  16
    1.5.2 主要研究内容  16-18
第2章 理论方法和工具  18-24
  2.1 引言  18
  2.2 Hohenberg-Kohn 定理和密度泛函理论  18-21
  2.3 交换关联能近似  21-22
  2.4 赝势法  22
  2.5 系统的结构优化处理  22-23
  2.6 工具软件简介  23-24
第3章 二元β钛合金的相稳定性和弹性性质的研究  24-37
  3.1 引言  24-25
  3.2 计算方法和结构模型  25-26
  3.3 结果和讨论  26-36
    3.3.1 晶格常数和结合能  26-28
    3.3.2 弹性常数  28-32
    3.3.3 C_(44)、C′和价电子浓度的关系  32-34
    3.3.4 态密度  34-36
  3.4 小结  36-37
第4章 TiMo 不同合金相的相稳定性和弹性性能研究  37-43
  4.1 引言  37
  4.2 计算方法和结构模型  37-38
  4.3 结果与讨论  38-42
    4.3.1 平衡结构性质和形成能  38-39
    4.3.2 弹性性质  39-41
    4.3.3 态密度  41-42
  4.4 小论  42-43
第5章 合金元素对β-Ti_(12)Nb_4合金的结构稳定性与弹性性质的影响  43-50
  5.1 引言  43
  5.2 计算方法和结构模型  43-44
  5.3 结果及讨论  44-49
    5.3.1 平衡结构性质  44-45
    5.3.2 弹性常数和弹性性能  45-47
    5.3.3 价电子浓度的影响  47-48
    5.3.4 态密度  48-49
  5.4 小结  49-50
第6章 总结与展望  50-52
  6.1 总结  50
  6.2 研究展望  50-52
参考文献  52-57
致谢  57-58
攻读硕士期间发表和完成的论文  58

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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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