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钛金属氢脆的计算模拟

作　者: 郎巧霖
导　师: 刘英才
学　校: 中国海洋大学
专　业: 材料学
关键词: 氢脆第一原理计算分子动力学改进嵌入原子势能
分类号: TG111.91
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

金属氢脆的现象早已为人们所认知,而关于氢脆的机理仍然存在着争议。钛金属是适用于航空等尖端领域的材料,其氢脆的发生易造成较大的经济损失。计算模拟有助于在实验的基础上更深入的研究钛金属氢脆的机理,从而更好的避免氢脆的发生。计算模拟中最关键的因素是原子间作用势的选取,由于钛金属与氢元素的电子排布差异较大,因此其作用势较难描述。改进嵌入原子理论在氢脆相关的计算中得到较为广泛的应用,计算结果能够准确反应金属与氢元素的物理性质。本论文的研究重点即为计算钛金属与氢元素之间的改进嵌入原子势能。使用第一原理方法计算钛氢合金改进嵌入原子势能中的部分参数,计算不借助任何经验值,计算精度较好。使用局域密度近似处理密度泛函理论中的交互-关联能量方程,原子间相互作用势采用Troullier-Martins赝势。电子占据态的处理方式是将钛原子的3p轨道视为价电子。计算参数的设置为：P(?)1m(162号)空间群,240 eV的平面截断能量,0.27 eV的高斯能带展宽计算费米能,k点简化使用4×4×2的Monkhorst-Pack网格。计算模型为氢原子位于钛原子组成的八面体间隙的中心位置。计算得出钛氢合金的体积模量B,形成热ΔE和原子电子密度范围因子ρ0。其中体积模量B和形成热ΔE分别用于计算改进嵌入原子势能参数中的统一方程结构因子α和粘附能Ec,而电子密度范围因子ρ0为合金的势能参数之一。基于Hill模型,本论文计算出钛氢合金的弹性性质。根据PUGH判据,钛氢合金的体积模量与剪切模量之比GHill/Bhill=0.62>0.5,即材料呈现脆性,在内应力的作用下容易产生脆断。钛氢合金的其余势能参数应用改进嵌入原子理论进行了求导。计算得出的势能参数有截断距离,平衡距离,粘附能,统一能量方程的结构因子以及八个屏蔽因子。钛氢合金的势能确定之后,使用分子动力学方法模拟了正则系综下OK时的钛双晶晶界与间隙氢原子相互作用的力学行为,模型中晶界面的垂直方向(Y轴)采用有限边界,而其余两个方向采用周期性边界。使用Verlet速度方法和单独的时间积分共同作用实现温度控制。模拟的时间步长是10-4ps,总计进行106步的运算。其中纯元素的势能参数使用Baskes和Lee等人的计算值,而合金的势能采用本论文的计算值。模拟了氢原子位于∑7(1230)/[0001]、∑13(1120)/[0001]和∑13(1011)/[1210]晶界附近的力学行为,并且计算了钛氢合金的晶格常数,c/a比率,体积模量以及形成热。计算结果基本符合实验值和第一原理计算值,并且通过对比三个晶界受到破坏的程度,发现晶面指数最大的∑7(1230)/[0001]晶界受到的破环最为严重,其次为∑13(1120)/[0001]晶界,而晶面指数最低的∑13(1011)/[1210]晶界受到的破坏最轻。本论文对钛金属氢脆的力学行为进行了模拟,初步研究了钛氢合金的改进嵌入原子势能,使用第一原理方法计算了钛氢合金的势能参数,为钛金属氢脆机理的进一步研究提供了一定的理论基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 绪论  12-15
  1.1 引言  12-13
  1.2 钛金属氢脆概述  13-15
2 理论计算方法  15-34
  2.1 引言  15
  2.2 第一原理计算方法  15-17
    2.2.1 密度泛函理论  15-16
    2.2.2 局域密度近似  16
    2.2.3 平面波基组和赝势  16-17
    2.2.4 ABNIT软件包主要理论模拟方法  17
  2.3 分子动力学概述  17-34
    2.3.1 分子动力学基本原理  17-18
    2.3.2 有限差分算法  18-19
    2.3.3 原子间相互作用势的选取  19-29
    2.3.4 时间步长的选取  29-30
    2.3.5 系综的选择  30-34
3 第一原理对钛氢体系的计算  34-45
  3.1 模型的建立  34-36
    3.1.1 初始计算模型  34-35
    3.1.2 建模参数设置  35-36
  3.2 计算参数设置  36-39
    3.2.1 重要参数测试  36-38
    3.2.2 计算参数设置  38-39
  3.3 钛氢体系物理性质的计算  39-44
    3.3.1 弹性性质的计算  39-42
    3.3.2 形成热的计算  42-43
    3.3.3 原子电子密度范围因子的计算  43-44
  3.4 本章小结  44-45
4 钛氢体系分子动力学模拟  45-64
  4.1 钛氢体系改进嵌入原子势能参数  45-53
    4.1.1 改进嵌入原子势能参数  45
    4.1.2 钛氢体系改进嵌入原子势能参数的计算  45-53
  4.2 模型的建立  53-56
    4.2.1 初始模型的建立  53-55
    4.2.2 参数设置  55-56
  4.3 改进嵌入原子势能参数的验证  56-63
    4.3.1 参数的初步测试  56
    4.3.2 晶格常数的验证  56-58
    4.3.3 体积模量的验证  58-59
    4.3.4 热学性质的验证  59
    4.3.5 不同晶界模型的验证  59-63
  4.4 结论与分析  63-64
5 总结  64-66
参考文献  66-70
附录  70-72
致谢  72-73
个人简历  73-74
发表的学术论文  74

钛金属氢脆的计算模拟

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