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B2型TiAl基合金相稳定性和弹性性质的第一原理计算

作　者: 许密
导　师: 彭平
学　校: 湖南大学
专　业: 材料加工工程
关键词: B2-TiAl晶体 合金化 弹性性质 第一原理
分类号: TG146.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 67次
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内容摘要


采用基于密度泛函理论的第一原理赝势平面波方法,计算了B2-TiAl-X （X=Cr、Mo、Nb、W、Zr和Hf）、B2-Ti50(Al50-xNb/Crx) （x=6.25,9.375,12.5, 18.75, 25 at.%）晶体的电子、能态结构和弹性性质,通过合金形成热和Born稳定性判据分别考察了过渡金属元素X在B2-TiAl晶体中的择优占位趋势与力学稳定性,并采用Cauchy压力参数(C12-C44)和G/B比值表征和评判了X对B2-TiAl-X晶体力学性质的影响。结果表明:（1） Cr、Mo、Nb、Zr和W在B2-TiAl晶体中优先占据Al原子位,Hf则主要占据Ti原子位。添加Cr或Zr后,B2型Ti4Al3Zr和Ti4Al3Zr合金的延性相对于γ型TiAl合金有所提高,而B2型TiAl合金的Nb、Mo或Hf合金化则没有这种韧化效果。（2）添加Nb浓度约大于8.0 at.%时,B2型TiAl-Nb合金才稳定存在;B2-Ti50(Al50-xNbx)晶体的稳定性随着Nb合金化浓度的升高而减弱,弹性模量呈递增趋势,而延性则整体下降。Nb含量为9.375 at.%时B2型Ti50(Al50-xNbx)合金的延性相对最好。（3） Cr使B2相TiAl合金稳定存在的最低浓度约为9.0 at.%,随着Cr含量的升高,B2-Ti-Al-Cr合金的稳定性增强,结合强度增大。B2-Ti50-Al-Crx合金弹性体模量（B、G和E）在x=12.525.0 at.%浓度区间呈单调递增,且合金的塑性得到明显改善。同时,基于电子态密度的分析,Nb对B2-Ti50(Al50-xNbx)晶体稳定性和Cr对B2-Ti50(Al50-xCrx)晶体稳定性的影响可得到初步解释。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
插图索引  9-10
附表索引  10-11
第1章 绪论  11-20
  1.1 引言  11-12
  1.2 Ti-Al-Nb 系与 Ti-Al-Cr 系合金的研究现状  12-13
  1.3 第一原理计算及应用  13-18
    1.3.1 点及面缺陷相关能量的计算  14-15
    1.3.2 空位及空位一溶质相互作用  15-16
    1.3.3 层错与晶界  16
    1.3.4 相结构及稳定性  16-17
    1.3.5 弹性模量  17-18
  1.4 本文预期工作及意义  18-19
  1.5 本文研究内容  19-20
第2章 密度泛函理论与CASTEP 计算方法  20-30
  2.1 引言  20
  2.2 多粒子体系的Schrodinger 方程  20-22
    2.2.1 非相对论近似  20-21
    2.2.2 Born-Oppenheimer 近似  21-22
    2.2.3 轨道近似  22
  2.3 密度泛函理论  22-25
    2.3.1 局域密度近似(LDA)  23-24
    2.3.2 自旋极化局域密度近似(LSD)  24
    2.3.3 广义梯度密度近似（GGA）  24-25
  2.4 CASTEP 基本原理与方法  25-30
    2.4.1 总能量的计算  25-30
第3章 B2 型Ti-Al-X (X=Cr,Mo,Nb,Zr,Hf,W)相稳定性与力学性质的计算  30-39
  3.1 引言  30-31
  3.2 计算模型与方法  31-32
    3.2.1 晶体结构与模型  31
    3.2.2 计算方法  31-32
  3.3 计算结果与讨论  32-37
    3.3.1 计算模型的测试  32
    3.3.2 B2-Ti-Al-X 晶体的相结构稳定性  32-34
    3.3.3 B2-Ti-Al-X 合金的延性  34-36
    3.3.4 电子结构  36-37
  3.4 结论  37-39
第4章 Nb 浓度对B2 型Ti_(50)(Al_(50-x)Nb_x)合金相稳定性和弹性性质的影响  39-47
  4.1 引言  39
  4.2 计算模型与方法  39-40
    4.2.1 晶体结构及模型  39
    4.2.2 计算方法  39-40
  4.3 计算结果与讨论  40-45
    4.3.1 计算模型的测试  40
    4.3.2 晶格常数和形成热  40-41
    4.3.3 B2-Ti_(50)(Al_(50-x)Nb_x)合金的相结构稳定性  41-43
    4.3.4 弹性模量和韧性  43-45
  4.4 电子态密度  45-46
  4.5 结论  46-47
第5章 Cr 浓度对B2 型Ti50(A150-xCrx)合金相稳定性和弹性性质的影响  47-56
  5.1 引言  47
  5.2 计算模型与方法  47-48
    5.2.1 晶体结构及模型  47-48
    5.2.2 计算方法  48
  5.3 计算结果与讨论  48-55
    5.3.1 形成热与结合能  48-49
    5.3.2 B2-Ti_(50)(Al_(50-x)Cr_x)合金的相结构稳定性  49-51
    5.3.3 弹性模量和韧性  51-53
    5.3.4 电子态密度和价电荷密度  53-55
  5.4 结论  55-56
总结  56-57
参考文献  57-65
附录 A（攻读硕士学位期间发表的论文目录）  65-66
致谢  66

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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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