無序β-Ti 1-x Nb x 合金自由能及彈性性質(zhì)的第一性原理計算:特殊準(zhǔn)無序結(jié)構(gòu)和相干勢近似的比較
發(fā)布時間：2021-06-11 13:35
采用第一性原理方法（VASP及EMTO）結(jié)合特殊準(zhǔn)無序結(jié)構(gòu)（SQS）和相干勢近似（CPA）的方法,對比研究了bcc結(jié)構(gòu)β-Ti1-xNbx無序合金的晶格參數(shù)、自由能及彈性常數(shù)隨成分x的變化。結(jié)果表明,VASP-SQS及EMTO-CPA計算得到的晶格參數(shù)符合良好,均隨Nb含量增加而增加,局域晶格弛豫對晶格參數(shù)的影響可以忽略;EMTO-CPA自由能計算預(yù)測β-Ti1-xNbx中存在相分解,但VASP-SQS計算因依賴于具體SQS結(jié)構(gòu),難以合理地描述合金的相分解。EMTO-CPA及無弛豫VASP-SQS計算得到的彈性常數(shù)C11和C12隨Nb含量增加而增大,C44減小,但EMTO-CPA高估了合金的彈性穩(wěn)定性;低Nb含量時,由于β-Ti1-xNbx的bcc結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,導(dǎo)致VASPSQS計算得到的局域晶格畸變顯著增加,使得考慮原子弛豫的VASP-SQS計算得到的自由能及彈性常數(shù)隨Nb含量的變化偏離正常...
【文章來源】：金屬學(xué)報. 2020,56(09)北大核心EISCICSCD
【文章頁數(shù)】：9 頁
【部分圖文】：
β-Ti1-xNbx合金的晶格常數(shù)隨Nb含量的變化
本課題組前期計算的fcc結(jié)構(gòu)Ti-Al和Cu-Au無序合金的形成焓結(jié)果[47,48]表明，當(dāng)合金原子與基體原子的尺寸差距較小時，VASP-SQS與EMTO-CPA計算得到的結(jié)果差別很小。本工作中，Ti及Nb原子的原子尺寸相當(dāng)接近，但二者得到的形成焓仍然有較大差距。這可能和SQS中合金原子分布的具體構(gòu)型有關(guān)。事實上，在一定的關(guān)聯(lián)函數(shù)截斷下，存在較多SQS結(jié)構(gòu)滿足關(guān)聯(lián)函數(shù)要求，但它們的形成焓一般并不相同。原則上，應(yīng)當(dāng)計算多個這樣的SQS對應(yīng)的形成焓，并進(jìn)行平均，以獲得可靠的形成焓值。這需要大量的超晶胞計算，計算量巨大。本工作對每一成分僅采用了一個SQS晶胞計算形成焓。因此，本工作中EMTO-CPA形成焓計算結(jié)果更為可靠。2.3 自由能及相分解
β-Ti1-xNbx合金的ΔG隨x及T的變化如圖3a所示。由圖可見，在低溫下(小于200 K)，ΔG為正值，意味著在低溫下，bcc-Ti與bcc-Nb不能互溶。隨溫度升高，ΔG降低并開始出現(xiàn)負(fù)值。當(dāng)溫度高于400 K時，整個成分區(qū)間內(nèi)ΔG均為負(fù)值，即，bcc-Ti與bccNb互溶。此外，溫度在300～600 K左右時，自由能隨成分的變化出現(xiàn)了2個極小值，意味著合金中存在相分解。溫度在700 K以上時，β-Ti1-xNbx為均勻合金。由圖3a的自由能曲線中的極值點(diǎn)及拐點(diǎn)，確定了β-Ti1-xNbx的相圖，如圖3b所示。圖中，實線為由自由能極小值確定的溶解度極限，虛線為由自由能曲線拐點(diǎn)確定的調(diào)幅分解溶解度極限。由圖3b可見，在630 K以下時，合金存在較寬的溶解度間隙，成分在此區(qū)間內(nèi)的Ti-Nb合金出現(xiàn)相分解。成分在紅線范圍內(nèi)時，合金發(fā)生調(diào)幅分解；成分在紅線與黑線之間時，合金以形核長大方式發(fā)生分解。實驗上從Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金中發(fā)現(xiàn)了調(diào)幅分解[50,51]，由Nb原子含量15.1%的母相中分解出富Nb(約20%)和貧Nb(約8%)的納米級相，子相與母相有著完全相同的晶格結(jié)構(gòu)。計算得到的調(diào)幅分解區(qū)Nb含量較高，未在Nb含量15.1%時出現(xiàn)調(diào)幅分解，其原因可能是沒有考慮Zr原子和Sn原子的貢獻(xiàn)。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Superelasticity and Tunable Thermal Expansion across a Wide Temperature Range[J]. Y.L.Hao,H.L.Wang,T.Li,J.M.Cairney,A.V.Ceguerra,Y.D.Wang,Y.Wang,D.Wang,E.G.Obbard,S.J.Li,R.Yang. Journal of Materials Science & Technology. 2016(08)
[2]Ti1-xVx及Ti1-xNbx合金晶格參數(shù)、體模量及相穩(wěn)定性的第一原理研究[J]. 趙宇飛,符躍春,胡青苗,楊銳. 金屬學(xué)報. 2009(09)
[3]β型鈦合金材料的生物相容性評價[J]. 張明華,于振濤,周廉,張殿忠. 稀有金屬材料與工程. 2007(10)
本文編號：3224636
【文章來源】：金屬學(xué)報. 2020,56(09)北大核心EISCICSCD
【文章頁數(shù)】：9 頁
【部分圖文】：
β-Ti1-xNbx合金的晶格常數(shù)隨Nb含量的變化
本課題組前期計算的fcc結(jié)構(gòu)Ti-Al和Cu-Au無序合金的形成焓結(jié)果[47,48]表明，當(dāng)合金原子與基體原子的尺寸差距較小時，VASP-SQS與EMTO-CPA計算得到的結(jié)果差別很小。本工作中，Ti及Nb原子的原子尺寸相當(dāng)接近，但二者得到的形成焓仍然有較大差距。這可能和SQS中合金原子分布的具體構(gòu)型有關(guān)。事實上，在一定的關(guān)聯(lián)函數(shù)截斷下，存在較多SQS結(jié)構(gòu)滿足關(guān)聯(lián)函數(shù)要求，但它們的形成焓一般并不相同。原則上，應(yīng)當(dāng)計算多個這樣的SQS對應(yīng)的形成焓，并進(jìn)行平均，以獲得可靠的形成焓值。這需要大量的超晶胞計算，計算量巨大。本工作對每一成分僅采用了一個SQS晶胞計算形成焓。因此，本工作中EMTO-CPA形成焓計算結(jié)果更為可靠。2.3 自由能及相分解
β-Ti1-xNbx合金的ΔG隨x及T的變化如圖3a所示。由圖可見，在低溫下(小于200 K)，ΔG為正值，意味著在低溫下，bcc-Ti與bcc-Nb不能互溶。隨溫度升高，ΔG降低并開始出現(xiàn)負(fù)值。當(dāng)溫度高于400 K時，整個成分區(qū)間內(nèi)ΔG均為負(fù)值，即，bcc-Ti與bccNb互溶。此外，溫度在300～600 K左右時，自由能隨成分的變化出現(xiàn)了2個極小值，意味著合金中存在相分解。溫度在700 K以上時，β-Ti1-xNbx為均勻合金。由圖3a的自由能曲線中的極值點(diǎn)及拐點(diǎn)，確定了β-Ti1-xNbx的相圖，如圖3b所示。圖中，實線為由自由能極小值確定的溶解度極限，虛線為由自由能曲線拐點(diǎn)確定的調(diào)幅分解溶解度極限。由圖3b可見，在630 K以下時，合金存在較寬的溶解度間隙，成分在此區(qū)間內(nèi)的Ti-Nb合金出現(xiàn)相分解。成分在紅線范圍內(nèi)時，合金發(fā)生調(diào)幅分解；成分在紅線與黑線之間時，合金以形核長大方式發(fā)生分解。實驗上從Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金中發(fā)現(xiàn)了調(diào)幅分解[50,51]，由Nb原子含量15.1%的母相中分解出富Nb(約20%)和貧Nb(約8%)的納米級相，子相與母相有著完全相同的晶格結(jié)構(gòu)。計算得到的調(diào)幅分解區(qū)Nb含量較高，未在Nb含量15.1%時出現(xiàn)調(diào)幅分解，其原因可能是沒有考慮Zr原子和Sn原子的貢獻(xiàn)。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Superelasticity and Tunable Thermal Expansion across a Wide Temperature Range[J]. Y.L.Hao,H.L.Wang,T.Li,J.M.Cairney,A.V.Ceguerra,Y.D.Wang,Y.Wang,D.Wang,E.G.Obbard,S.J.Li,R.Yang. Journal of Materials Science & Technology. 2016(08)
[2]Ti1-xVx及Ti1-xNbx合金晶格參數(shù)、體模量及相穩(wěn)定性的第一原理研究[J]. 趙宇飛,符躍春,胡青苗,楊銳. 金屬學(xué)報. 2009(09)
[3]β型鈦合金材料的生物相容性評價[J]. 張明華,于振濤,周廉,張殿忠. 稀有金屬材料與工程. 2007(10)
本文編號：3224636
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