合金元素对金属Nb力学性质影响的第一性原理研究

admin · 发表于 2022-9-23 12:45:01

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Nb-Si基复合材料作为继Ni基单晶合金之后新一代高温合金近年来备受关注，其中铌基固溶体提供韧性而硅化物提供高温强度。对该材料的研究主要是探讨如何获得高温抗氧化性能、高温强度和室温韧性等综合性能，为此在实验中需要添加大量的合金元素。随着计算机技术和数值算法的飞速发展，基于密度泛函理论的第一性原理计算方法已成为研究材料性能的重要手段。第一性原理计算方法在研究材料晶格缺陷、相稳定性和力学性质方面的有效性已被广泛认可。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究合金元素对金属Nb的力学性能包括弹性模量、弹性常数，应力应变关系以及理想拉伸强度的影响规律，探讨合金元素对Nb力学性能影响的物理本质，为实验提供理论基础。计算了VB族V、Nb、Ta和VIB族的Cr、Mo和W金属的弹性常数。结果发现：计算的Ta、Cr、Mo、W的弹性常数与实验测得的结果符合的很好；但是对V和Nb两种元素，和的结果与实验很吻合，计算值明显低于实验值。结合金属Nb的晶格振动和电子结构特点，提出被低估的原因主要是由于费米能级附近的范霍夫奇点的存在，使得电子拓扑迁移对的影响较大。计算了Nb15TM1 (TM =Ti、Zr、Hf、V、Ta、Cr、Mo、W)合金的弹性性能，发现Nb15TM1合金的体模量和弹性常数变化规律与价电子数目有关。与纯金属Nb相比，比Nb少一个价电子的合金元素Ti，Zr和Hf使Nb15TM1合金的弹性常数和以及减少；而比Nb多一个价电子的合金元素Cr、Mo和W使Nb15TM1合金的，，和以及增加；与Nb相同价电子数的V和Ta对金属Nb弹性性能的影响较小；但与价电子的变化规律不明显。系统地研究了Nb15TM1 (TM =Ti、Zr、Hf、V、Ta、Cr、Mo、W)合金沿的理论拉伸强度。结果发现：与纯金属Nb相比，对合金元素Ti，Zr，Hf来说，Nb15TM1的强度会降低，而Mo、W会增加合金的理论拉伸强度，Ta，Cr和V对Nb的理想拉伸强度的影响不大。对不同合金元素的Nb15TM1合金的电子结构进行了详细的研究。随着价电子浓度的升高，固溶原子周围的成键分布逐渐从各向同性变为各向异性。掺杂VIB族元素的差分电荷密度有明显的方向性。与Nb相同的价电子的合金元素V和Ta与Nb之间的电荷密度与纯Nb相比变化不大，相互作用变化不大。从而从微观的角度解释了合金元素对金属Nb弹性性能以及理想拉伸强度的影响机理。

合金元素对金属Nb力学性质影响的第一性原理研究

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