al基mg基和ti基合金相稳定性和弹性性质第一性原理的研究

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1、国内图书分类号：TB303学校代码：10213国际图书分类号：531密级：公开工学博士学位论文Al基Mg基和Ti基合金相稳定性与弹性性质的第一性原理研究博士研究生：代建红导师：宋岩教授申请学位：工学博士学科：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2013年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB303U.D.C:531DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringPHASESTABILITYANDELASTICPROPERTIESOFAlANDMgANDTiBASEDALLOYSSTUDIEDBYFIRST

2、PRINCIPLESCandidate：DaiJianhongSupervisor：Prof.SongYanAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2013Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着计算材料学的发展以及高性能计算机的出现，采用理论计算方法开发和设计新

3、型材料已成为材料研发的重要手段之一。基于量子理论的第一性原理方法由于不依赖于经验参数，而越来越广泛的应用于材料性质的探索和新材料的设计。作为轻质合金的重要成员，镁、铝和钛合金因其优异的力学性质和化学性质在汽车、航空航天以及医疗器械等领域得到了广泛的应用。为了探索合金元素对镁、铝和钛的稳定性和力学性质影响机制，本文采用第一性原理方法分析合金体系的稳定性、弹性性质以及电子结构，为通过微合金化改善这三类轻质金属的相稳定性和力学性质提供理论依据和指导，为扩大这三类轻质合金的应用范围提供参考。本文分析了金属单质的弹性性能、结合能与电子结构间的关系。建立了体积、结合能、金属结构参数、弹性模量与金

4、属的键合临界点处的电荷分布之间的关系。结果显示，计算值与实验值非常吻合，金属的体弹性模量与键合临界点处的电荷之间存在抛物线性关系。以键合临界点上的电荷这个参数为媒介，可以很方便地推导和构建金属的体积、结合能、结构参数以及体弹性模量间的关系。这些关系式的提出可以很方便地应用于考察金属的物理性质。对Al和Mg-金属，本文从电子结构角度详细分析了元素X（作为合金元素X=Al，Mg，Ti，V，Cr，Fe，Ni，Cu，Zr，Nb，Mo，Sn，Ta，W；作为杂质元素X=H，C，N和O）对Mg和Al相稳定性和弹性性质的影响机制。计算发现，Sn元素对Mg和Al的相稳定性的影响完全不同，Sn能提高Mg

5、的稳定性却会降低Al的稳定性。此外，杂质元素在Mg和Al中的占位行为也不尽相同，在Mg中，H和O倾向于占据四面体间隙位置，而C和N则倾向于占据八面体间隙位置；在Al中H，N和O将占据四面体间隙位置，而C则倾向于占据八面体间隙位置。本文详细研究了合金元素和杂质元素对Mg和Al弹性性质的影响并考察了力学稳定性。所有Mg-X和Al-X合金体系都符合力学稳定性条件，Mg-X的（C11-C12）值对合金元素非常敏感，Al-Zr合金有非常小的C44从而该合金体系非常容易发生剪切变形。电子结构分析显示合金及杂质原子与基体中近邻原子间的相互作用影响了基体的稳定性和弹性性质。本文进一步研究了合金元素和

6、杂质元素对Mg17Al12合金影响。Ca，Zr和La对Mg17Al12合金的性质影响较大，Ni，Cu和Zn则相对较弱，杂质原子氧倾向于占据在四个Mg原子的中间。就弹性性质而言，合金元素显著地降低Mg17Al12的泊松比值。对金属Ti，本文从电子结构角度分析了合金元素Al，Cr，Cu，Fe，Mo，Nb，Ni，Sn，Ta，V，W，和Zr对相稳定性和弹性性质的影响机制，考察了合金元素对I哈尔滨工业大学工学博士学位论文其马氏体相变的影响机制，讨论了杂质元素H，C，N和O对钛的相稳定性和弹性性能的影响机制。分析显示，上述所有合金元素都能稳定β相，对α΄和α˝相有相似的影响，只有Al和Sn元素能

7、够增加ω相的稳定性。合金元素的浓度对Ti的各个相的稳定性的影响作用则几乎一致。对二元及多元合金，计算结果表明，Nb可极大地改善β-Ti合金的稳定性，同时Nb与其它合金元素的联合作用亦可增强β-Ti的稳定性。此外，四种杂质元素在Ti的各个相中都具有负的占位能，且占位倾向与杂质浓度关联较弱（除6.25at.%的O占据α˝相体系外）。电子结构分析显示α΄-Ti合金体系的态密度与纯α-Ti非常相似，体系稳定系与Tid电子在费米能级处的分布有一定关联，合金元素加入改