压力下B2相NiTi合金点缺陷结构性质的第一性原理研究

发布时间：2020-03-18 11:17

【摘要】：理想的NiTi合金塑性和强度有限,其在高性能结构材料领域的应用,尤其是航空航天等方面受到的限制极大,为探索NiTi合金在高温高压领域的应用潜力,亟需提高其塑性及强度。研究发现合金化是改善材料性能的有效方法,但合金化过程中会产生大量点缺陷,包括空位、反位、替位等等,这些结构缺陷会对材料诸如屈服强度、断裂强度、塑性等性能产生较大影响,所以对材料点缺陷结构的研究就显得十分重要。由于对NiTi合金点缺陷的研究大多集中于元素掺杂方面,形成的点缺陷是替位缺陷,本文利用第一性原理计算方法研究压力下自生点缺陷对B2相NiTi合金结构及性能的影响,寄希望于得到可靠的数据能够为后来者的实验研究提供理论参考,得到如下结论:对比LDA近似方法,GGA近似计算所得结果更接近实验值和其他理论计算值,表明GGA近似计算结果更加准确可靠。同时,0GPa下B2相NiTi合金晶格参数与其他实验值和理论计算值的误差控制在0.5%以内,计算参数设置准确可行。进一步分析,反位缺陷Ti_(Ni)形成的晶格畸变导致NiTi理想晶胞晶格参数变大、体积膨胀,而其他点缺陷结构的产生会导致其晶格参数变小、体积收缩。形成热与结合能计算表明,0GPa下NiTi合金及其点缺陷结构的形成热与结合能均为负值,证明该合金各点缺陷结构稳定。上述两种化学能的绝对值以如下顺序降低:Ni_8Ti_8Ni_9Ti_7Ni_7Ti_9Ni_8Ti_7Ni_7Ti_8,表明NiTi合金中反位缺陷比空位缺陷更容易形成。压力计算表明该体系具有较强的可压缩性,同时点缺陷的存在会使Ni Ti合金抗体积变形能力减弱。压力下NiTi合金及其点缺陷结构各弹性常数C_(11),C_(44)和C_(12)符合力学稳定性判据,同时P-C曲线在压力的加载过程中平稳变化,并没有产生突变,说明没有相变发生。VRH计算显示压力下NiTi合金体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E、泊松比υ以及B/G的值都会出现不同程度的增大,表明压力会改善NiTi合金抗体变、抗剪变能力,提高其刚度以及塑性。NiTi合金点缺陷结构的体积模量B随压力的增大而增大,表明压力会同样提高点缺陷结构的抗体积变形能力,同时点缺陷的出现会削弱NiTi合金的抗体积变形能力;压力下NiTi合金点缺陷结构的剪切模量G、杨氏模量E和硬度H会出现不同程度的变化,总体来讲点缺陷的出现同样会削弱Ni Ti合金抗剪切变形能力、刚度以及硬度,其中反位缺陷Ti_(Ni)对NiTi合金上述三种种性能的影响最小;比较发现,压力作用下NiTi合金及其点缺陷结构抗体积变形能力强于抗剪切变形能力;分析泊松比υ和B/G值,结果表明NiTi合金点缺陷结构是延性材料,且压力可以提高其延展性;压力会改变NiTi合金点缺陷结构的各向异性,反位缺陷Ni_(Ti)、空位缺陷V_(Ni)和V_(Ti)会使NiTi合金各向异性增大。态密度分析显示,NiTi合金及其点缺陷结构同时显现共价性和金属性。同时压力下态密度分析显示费米能级处E_F值不断降低,该合金体系趋于稳定,没有相变产生。布居分析表明压力增大会削弱其金属性,共价性增强。热力学分析表明,NiTi合金及其点缺陷结构体积模量B和德拜温度Θ_D都是随压力增大而增大,随温度升高而减小;而热容C和热膨胀系数α都是随压力增大而减小,随温度升高而增大。
【图文】：

晶胞结构,B2相,合金

图 3.1 NiTi 合金 B2 相晶胞结构Fig 3.1 Lattice structure of B2 NiTi都是基于密度泛函理论(DFT)和赝势平面波y Package)[87]软件包，交换关联能的表述分形式来进行校正，势函数采用倒空间表对不同压力环境下的 B2 相 NiTi 合金进行 5GPa 对晶胞结构进行一次静压计算。平面采用 Monkhorst-Pack 方式撒点的 14×14×14r-Goldfarb-Shanno(BFGS)[91]方法，自洽收敛原子上的受力要求低于 0.03eV/nm，公差偏

晶格参数,外压,体积,合金

中北大学学位论文排斥作用越到后来合金越难以压缩，，这符合图 3.2 曲线的变化趋势。多项式拟合，得到 B2 相 NiTi 合金晶格常数之比 a/a0和体积之比 V/V0系式：= 0.99656 - 0.0014 × P + 5.66531× 10-5× P2= 0.98825 - 0.00396 × P + 1.88234 × 10-4× P2
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.15

【参考文献】