發(fā)布時間：2020-03-24 17:40

【摘要】：鈦合金因其高的比強度、良好的耐蝕性等優(yōu)異的性能在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為滿足不斷發(fā)展的使役性能要求,亟需進一步改善鈦合金的力學(xué)性能并發(fā)展新型鈦合金。鈦合金中的原子擴散對微觀組織結(jié)構(gòu)演化動力學(xué)及宏觀力學(xué)性能如高溫蠕變有著重要影響。開發(fā)更高性能及更低成本的鈦合金,急需了解鈦合金微觀擴散機制,并獲取高質(zhì)量的擴散數(shù)據(jù)。受雜質(zhì)等因素影響,實驗報道的鈦合金中原子擴散系數(shù)較為離散。第一原理方法可以模擬不受雜質(zhì)等干擾的理想環(huán)境,在原子尺度上計算擴散系數(shù)。近年來,第一原理方法已被用來研究少量合金原子在鈦合金中的擴散,但仍然缺乏系統(tǒng)性,對合金原子擴散的基本規(guī)律及擴散機制等仍缺乏深入理解。本文采用第一原理系統(tǒng)研究了密排六方結(jié)構(gòu)α-Ti中的原子擴散行為。我們首先系統(tǒng)研究了第一原理計算參數(shù)k點網(wǎng)格密度、平面波截斷能量、超晶胞大小、幾何弛豫優(yōu)化方式等對密排六方金屬Mg、Zn、Ti、Zr和Hf中原子自擴散遷移勢壘及其各向異性的影響。研究結(jié)果表明,超晶胞尺寸大小及幾何優(yōu)化方式顯著影響Ti、Zr和Hf的遷移勢壘及其各向異性,但對Mg和Zn則幾乎沒有影響,其原因是Ti、Zr和Hf具有長程d電子間相互作用使其對超晶胞尺寸更加敏感。這一結(jié)果解釋了文獻報道的Ti、Zr、Hf的自擴散勢壘及其各向異性的差異。采用大尺寸晶胞(4×4×3)計算得到的遷移勢壘,基于簡諧近似過渡態(tài)理論,獲得了與實驗值符合良好的自擴散系數(shù)。研究了單空位擴散機制下α-Ti中合金原子的遷移勢壘、合金原子對Ti自擴散遷移勢壘以及空位形成能的影響。計算結(jié)果顯示,一般來說,3d、4 和5d過渡族合金原子的遷移勢壘隨著原子序數(shù)的增加而增加,遷移勢壘各向異性較弱。貴金屬及簡單金屬合金原子遷移勢壘接近或高于Ti自擴散勢壘,且具有較強的各向異性。過渡族合金原子(除d價電子為2的元素外)顯著降低其近鄰Ti原子的自擴散遷移勢壘,貴金屬及簡單金屬合金原子對Ti自擴散遷移勢壘影響較小。合金原子的遷移勢壘主要受原子尺寸和化學(xué)鍵合等因素影響。一般來說,合金原子尺寸越小或與Ti原子鍵合越強,其遷移勢壘越高。大部分合金原子都降低最近鄰位置空位形成能,即與空位相互吸引。Al、Si、Cu和Sn提高空位形成能,即與空位排斥。合金原子與基體原子的尺寸差異引起的晶格畸變及化學(xué)鍵共同決定了合金原子與空位間的相互作用能。研究了合金原子置換位置及高對稱間隙位置的優(yōu)先占位能及間隙機制下沿高對稱間隙位置擴散的遷移勢壘。占位能計算結(jié)果顯示所有合金原子間隙位置相對于置換位置的優(yōu)先占位能為正值,即置換位置更穩(wěn)定。3d過渡元素Mn、Fe、Co和Ni具有較小的優(yōu)先占位能。隨溫度升高,優(yōu)先占位能減小。合金原子最穩(wěn)定間隙位置與間隙大小無必然聯(lián)系,彈性畸變能及化學(xué)作用能共同決定不同間隙占位相對穩(wěn)定性。所有合金原子都具有較低的間隙機制遷移勢壘。在沿高對稱間隙位置擴散路徑上,我們發(fā)現(xiàn)了三個能量較低的穩(wěn)定低對稱間隙位置。這一發(fā)現(xiàn)說明,已有文獻中采用合金原子在高對稱間隙位置間的能量差作為間隙擴散勢壘并不可靠。最后,我們計算了所有合金原子在空位機制及部分原子在解離間隙機制下的擴散系數(shù)。在溫度為1000 K時,8頻率模型計算得到的空位機制合金原子擴散系數(shù)與Ti原子自擴散系數(shù)相差在3～4個數(shù)量級以內(nèi),表現(xiàn)為正常擴散行為,其中Si原子擴散速率最慢,比Ti原子自擴散系數(shù)低約2～4個數(shù)量級。計算得到的大部分合金原子的空位機制擴散系數(shù)與現(xiàn)有實驗測量結(jié)果符合較好,但Cr、Mn、Fe、Co和Ni等的空位機制擴散系數(shù)比實驗值低5～7個數(shù)量級。采用解離間隙機制半定量估算了 3d過渡元素及Al、Sn和Si的擴散系數(shù)。計算結(jié)果表明,在解離間隙機制下,Mn、Fe、Co和Ni等擴散速率比Ti自擴散快7～11個數(shù)量級,在α-Ti中為快擴散元素,計算得到的解離間隙機制擴散系數(shù)與實驗值接近。上述研究結(jié)果為合理設(shè)計高溫鈦合金以提高蠕變抗力提供了理論基礎(chǔ)。
【圖文】：

屬材料中引入固溶強化、晶界強化（低溫下）、第二相強化等一系列的強化效應(yīng)，逡逑從而使得材料能滿足各種特定應(yīng)用環(huán)境下的性能要求。逡逑在Ｔｉ中添加合金元素，顯著影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。如圖１．１ａ所示（圖１．１取自逡逑文獻［４］），純鈦存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，相變溫度為１１５５Ｋ。高于相變溫度時，平衡相逡逑為體心立方結(jié)構(gòu)Ｐ相。低于這一溫度時其穩(wěn)定相為密排六方結(jié)構(gòu)ａ相。根據(jù)合金逡逑元素添加對Ｔｉ的ａ／ｐ轉(zhuǎn)變溫度的影響，可以將Ｔｉ中添加的合金元素分為３類。逡逑第一類是提高相變溫度（即擴大ａ相區(qū)）的ａ穩(wěn)定元素，如圖１．１ｂ所示。這類元素逡逑主要有Ａｌ，Ｓｃ，邋Ｃ，Ｎ和Ｏ等。這類元素的特點是ｄ電子少于Ｔｉ的ｔ／電子數(shù)或逡逑者不含有ｄ電子。第二類是降低相變溫度（即擴大Ｐ相區(qū)）的Ｐ穩(wěn)定元素，如圖逡逑Ｕｃ所示。這類元素以Ｖ，Ｎｂ，Ｆｅ，邋Ｃｒ和Ｍｏ等為代表。第三類是Ｚｒ，Ｈｆ和Ｓｎ逡逑２逡逑

材料屈服強度的外載荷加載的共同作用下發(fā)生的緩慢塑性變形行為稱為蠕變。在逡逑一定的溫度及恒定載荷下，，鈦合金的蠕變過程根據(jù)其蠕變速率隨時間的變化規(guī)律逡逑可分為３個不同階段（如圖１．２所示）：Ｉ初始階段（減速蠕變階段；），ＩＩ穩(wěn)態(tài)蠕變階逡逑段，ＩＩＩ加速蠕變段。在初始蠕變階段，蠕變變形開始時其變形速率較快，隨著逡逑變形的進行速率逐漸減小。這是由于發(fā)生了類似于金屬材料在低溫下的加工硬化，逡逑隨著應(yīng)變的累積，應(yīng)變速率逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定值。第二階段，蠕變變形隨逡逑時間均勻增加，蠕變速率保持不變。這主要是因為加工硬化與高溫下的退火軟化逡逑作用達到平衡。在加速蠕變階段，廫變變形速率隨著變形的累積快速增加。材料逡逑發(fā)生頸縮并且在內(nèi)部會有空洞形成，最終導(dǎo)致材料發(fā)生蠕變斷裂。逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.23

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 蔡建明;馬濟民;黃旭;曹春曉;;高溫鈦合金中雜質(zhì)元素Fe的擴散行為及其對蠕變抗力的損害作用[J];材料工程;2009年08期

2 聶耀莊;謝佑卿;彭紅建;李小波;;金屬Ti熱學(xué)性質(zhì)第一原理研究[J];中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2007年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 陳逸;Ti-Al-Mo-V-Cr-Fe系鈦合金中擴散及β→α相變的動力學(xué)研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2015年

本文編號：2598634