压力下B2相NiTi合金点缺陷结构性质的第一性原理研究

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TiNi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:Ni8Ti8＞Ni9Ti7＞Ni7Ti9＞Ni8Ti7＞Ni7Ti8，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NiTi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C11，C44和C12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NiTi合金抗剪切变形能力、刚度以及硬度，其中反位缺陷TiNi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NiTi、空位缺陷VNi和VTi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EF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OD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。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 计算材料学

1．2 第一性原理研究的发展与应用

1．3 NiTi合金概述

1．3．1 NiTi合金简介

1．3．2 NiTi合金相变及结构类型

1．3．3 NiTi合金的性能及应用

1．4 NiTi合金国内外研究现状

1．4．1 实验研究现状

1．4．2 理论研究现状

1．5 课题研究内容与方法

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究方法

2．1 引言

2．2 基本原理

2．2．1 密度泛函理论

2．2．2 交互关联能泛函近似

2．2．3 赝势

2．3 基本物理量

2．4 计算软件

3 压力对B2相NiTi合金力学性能、电子结构和热力学性能的影响

3．1 引言

3．2．1 理论模型

3．2．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 结构性质

3．3．2 力学性质

3．3．3 电子性质

3．3．4 热力学性质

3．4 本章小结

4 压力对B2相NiTi合金点缺陷结构力学性能、电子结构、热力学性能的影响

4．1 引言

4．2 计算模型和方法

4．2．1 理论模型

4．2．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 结构性质

4．3．2 力学性质

4．3．3 电子性质

4．3．4 热力学性质

4．4 本章小结

5 结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢