无序β-Ti 1-x Nb x 合金自由能及弹性性质的第一性原理计算:特殊准无序结构和相干势近似的比较
发布时间：2021-06-11 13:35
采用第一性原理方法（VASP及EMTO）结合特殊准无序结构（SQS）和相干势近似（CPA）的方法,对比研究了bcc结构β-Ti1-xNbx无序合金的晶格参数、自由能及弹性常数随成分x的变化。结果表明,VASP-SQS及EMTO-CPA计算得到的晶格参数符合良好,均随Nb含量增加而增加,局域晶格弛豫对晶格参数的影响可以忽略;EMTO-CPA自由能计算预测β-Ti1-xNbx中存在相分解,但VASP-SQS计算因依赖于具体SQS结构,难以合理地描述合金的相分解。EMTO-CPA及无弛豫VASP-SQS计算得到的弹性常数C11和C12随Nb含量增加而增大,C44减小,但EMTO-CPA高估了合金的弹性稳定性;低Nb含量时,由于β-Ti1-xNbx的bcc结构不稳定,导致VASPSQS计算得到的局域晶格畸变显著增加,使得考虑原子弛豫的VASP-SQS计算得到的自由能及弹性常数随Nb含量的变化偏离正常...
【文章来源】：金属学报. 2020,56(09)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
β-Ti1-xNbx合金的晶格常数随Nb含量的变化
本课题组前期计算的fcc结构Ti-Al和Cu-Au无序合金的形成焓结果[47,48]表明，当合金原子与基体原子的尺寸差距较小时，VASP-SQS与EMTO-CPA计算得到的结果差别很小。本工作中，Ti及Nb原子的原子尺寸相当接近，但二者得到的形成焓仍然有较大差距。这可能和SQS中合金原子分布的具体构型有关。事实上，在一定的关联函数截断下，存在较多SQS结构满足关联函数要求，但它们的形成焓一般并不相同。原则上，应当计算多个这样的SQS对应的形成焓，并进行平均，以获得可靠的形成焓值。这需要大量的超晶胞计算，计算量巨大。本工作对每一成分仅采用了一个SQS晶胞计算形成焓。因此，本工作中EMTO-CPA形成焓计算结果更为可靠。2.3 自由能及相分解
β-Ti1-xNbx合金的ΔG随x及T的变化如图3a所示。由图可见，在低温下(小于200 K)，ΔG为正值，意味着在低温下，bcc-Ti与bcc-Nb不能互溶。随温度升高，ΔG降低并开始出现负值。当温度高于400 K时，整个成分区间内ΔG均为负值，即，bcc-Ti与bccNb互溶。此外，温度在300～600 K左右时，自由能随成分的变化出现了2个极小值，意味着合金中存在相分解。温度在700 K以上时，β-Ti1-xNbx为均匀合金。由图3a的自由能曲线中的极值点及拐点，确定了β-Ti1-xNbx的相图，如图3b所示。图中，实线为由自由能极小值确定的溶解度极限，虚线为由自由能曲线拐点确定的调幅分解溶解度极限。由图3b可见，在630 K以下时，合金存在较宽的溶解度间隙，成分在此区间内的Ti-Nb合金出现相分解。成分在红线范围内时，合金发生调幅分解；成分在红线与黑线之间时，合金以形核长大方式发生分解。实验上从Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金中发现了调幅分解[50,51]，由Nb原子含量15.1%的母相中分解出富Nb(约20%)和贫Nb(约8%)的纳米级相，子相与母相有着完全相同的晶格结构。计算得到的调幅分解区Nb含量较高，未在Nb含量15.1%时出现调幅分解，其原因可能是没有考虑Zr原子和Sn原子的贡献。
【参考文献】：
期刊论文
[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合金晶格参数、体模量及相稳定性的第一原理研究[J]. 赵宇飞,符跃春,胡青苗,杨锐. 金属学报. 2009(09)
[3]β型钛合金材料的生物相容性评价[J]. 张明华,于振涛,周廉,张殿忠. 稀有金属材料与工程. 2007(10)
本文编号：3224636
【文章来源】：金属学报. 2020,56(09)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
β-Ti1-xNbx合金的晶格常数随Nb含量的变化
本课题组前期计算的fcc结构Ti-Al和Cu-Au无序合金的形成焓结果[47,48]表明，当合金原子与基体原子的尺寸差距较小时，VASP-SQS与EMTO-CPA计算得到的结果差别很小。本工作中，Ti及Nb原子的原子尺寸相当接近，但二者得到的形成焓仍然有较大差距。这可能和SQS中合金原子分布的具体构型有关。事实上，在一定的关联函数截断下，存在较多SQS结构满足关联函数要求，但它们的形成焓一般并不相同。原则上，应当计算多个这样的SQS对应的形成焓，并进行平均，以获得可靠的形成焓值。这需要大量的超晶胞计算，计算量巨大。本工作对每一成分仅采用了一个SQS晶胞计算形成焓。因此，本工作中EMTO-CPA形成焓计算结果更为可靠。2.3 自由能及相分解
β-Ti1-xNbx合金的ΔG随x及T的变化如图3a所示。由图可见，在低温下(小于200 K)，ΔG为正值，意味着在低温下，bcc-Ti与bcc-Nb不能互溶。随温度升高，ΔG降低并开始出现负值。当温度高于400 K时，整个成分区间内ΔG均为负值，即，bcc-Ti与bccNb互溶。此外，温度在300～600 K左右时，自由能随成分的变化出现了2个极小值，意味着合金中存在相分解。温度在700 K以上时，β-Ti1-xNbx为均匀合金。由图3a的自由能曲线中的极值点及拐点，确定了β-Ti1-xNbx的相图，如图3b所示。图中，实线为由自由能极小值确定的溶解度极限，虚线为由自由能曲线拐点确定的调幅分解溶解度极限。由图3b可见，在630 K以下时，合金存在较宽的溶解度间隙，成分在此区间内的Ti-Nb合金出现相分解。成分在红线范围内时，合金发生调幅分解；成分在红线与黑线之间时，合金以形核长大方式发生分解。实验上从Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金中发现了调幅分解[50,51]，由Nb原子含量15.1%的母相中分解出富Nb(约20%)和贫Nb(约8%)的纳米级相，子相与母相有着完全相同的晶格结构。计算得到的调幅分解区Nb含量较高，未在Nb含量15.1%时出现调幅分解，其原因可能是没有考虑Zr原子和Sn原子的贡献。
【参考文献】：
期刊论文
[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合金晶格参数、体模量及相稳定性的第一原理研究[J]. 赵宇飞,符跃春,胡青苗,杨锐. 金属学报. 2009(09)
[3]β型钛合金材料的生物相容性评价[J]. 张明华,于振涛,周廉,张殿忠. 稀有金属材料与工程. 2007(10)
本文编号：3224636
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