ti1-xfex合金力学性能的第一性原理研究

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1、学校代码10530学号201510121217分类号O469密级硕士学位论文Ti1-xFex合金力学性能的第一性原理研究学位申请人朱倩倩指导教师曹觉先教授学院名称物理与光电工程学院学科专业物理学研究方向计算物理二〇一八年五月二十日OntheDevelopmentoftheCreativityofPostgraduatesCandidateZhuQianqianSupervisorProfessorCaoJuexianCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectronicsProgramPhysicsSpecializationComputationalPh

2、ysicsDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateMar20th，2018湘潭大学硕士学位论文摘要近年来，航空航天、海洋舰船和深海装备等行业发展迅速，这主要得益于新型轻质合金材料研制与开发。其中，钛合金材料拥有的综合力学性能十分突出，如高强度、轻质量、耐腐蚀、抗疲劳、无磁且耐高温等特性，引起了行业内外的高度重视，在航天航空、深海探测、生物医疗、海洋工程装备等领域得到了广泛的应用。β-钛合金就是这样的一类钛合金，因具有高强度/质量比、深淬透性以及质量轻、高强-高韧匹配等优良的综合性能而备受青睐，但由于开发成本极高、可

3、锻性差、加工工艺敏感等因素极大的阻碍了高强钛合金的应用，因此，进一步设计和开发成本低廉、综合性能优异的β-钛合金，拓展钛合金的应用领域势在必行。对于β-钛合金，其主要缺陷可以通过添加稳定的β型合金元素来改善。我们以合金元素Fe为例重点说明合金元素对钛合金的相变和性能的影响规律。Fe元素之所以成为我们的重点研究对象，因为它不仅是稳定的β型元素，在纯金属中强度较高，易与其他金属形成更高强度的合金，而且相对于一些得到广泛研究的合金元素（V，Nb，Mo等）价格更低廉，这符合我们低成本的要求。基于以上的基本要求，利用第一性原理基本方法，本文重点研究了以下两部分内容：1、合金元素Fe对钛合金

4、的ω-β的相变影响（1）Fe元素可以诱导钛合金ω-β相变。首先从纯钛相变的角度出发，可以得出Ti的ω相比β相稳定，且添加Fe元素之后，能够实现Ti的ω相到β相的相变；（2）Fe元素诱导钛合金ω-β相变的临界浓度。通过相关理论推导和NEB计算方法，我们预测当Fe的浓度在6.7%左右就能引起该相变；（3）Fe元素与钛合金的相图关系。对Ti1-x-Fex合金的E-V，H-P曲线图与纯钛的ΔH-P图的合理分析，可以得到Ti1-x-Fex合金与压强和Fe浓度的相图关系。2、合金元素Fe对钛合金力学性能的影响（1）Ti1-x-Fex合金的晶格常数和形成能与Fe浓度的关系。随着Fe%的升高，晶

5、格常数和形成能与其呈现单调递减的线性关系；（2）相关力学常数与Fe浓度呈现良好的曲线关系。随着Fe%的不断升高，合金的体弹性模量、剪切模量、杨氏模量逐渐升高，泊松比呈下降趋势；根据计算所得Ti1-x-Fex合金的应力-应变曲线，得到Fe%与拉伸强度的关系，随着Fe浓度的升高，合金拉伸强度逐渐升高；（3）理论计算分析。通过对电子性质的计算，得到态密度图、电子局域函数和近邻原子间的电荷密度图，都充分说明随着Fe浓度的升高，原子间相互作用的增强，是其力学性能呈现规律性的根本原因。I湘潭大学硕士学位论文以上结果对实验研究和未来的产业应用提供了良好的理论基础，具有十分重要的指导意义。关键词

6、：第一性原理方法；NEB计算；合金相变；相图；力学性能II湘潭大学硕士学位论文AbstractInrecentyears,theaerospace,marineships,anddeep-seaequipmentindustrieshavedevelopedrapidly.Thisismainlyduetothedevelopmentofnewlightweightalloymaterials.Amongthem,titanium(Ti)alloymaterialshaveattractedgreatattentionintheindustryduetotheirexcellen

7、tcomprehensivemechanicalproperties,suchashighstrength,lightweight,corrosionresistance,fatigueresistance,non-magneticandhightemperatureresistance,etc.,inaerospace,Oceanexplorationandengineering.Equipment,biomedicalandmanyfieldshavebeenwidelyus