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《哈尔滨工程大学》 2019年
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基于第一性原理方法研究Cr_2Nb的断裂性能

罗庆昕  
【摘要】:新型高温结构材料Laves相金属间化合物Cr_2Nb拥有很多潜在的优异性能,但Laves相金属间化合物在室温下具有较高的脆性,这种缺点极大程度上限制了其实际应用范围。本文应用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对Laves相金属间化合物Cr_2Nb的C15、C14、C36三种结构进行研究,并计算M(M=Ti、W、Mo、V、Zr)元素掺杂进入C15-Cr_2Nb体系之后,掺杂M元素原子的空间占据位置以及添加M元素原子之后掺杂体系的电子结构及其力学性能。最后对C15-Cr_2Nb掺杂体系沿(1 0 0)、(1 1 0)、(1 1 1)三个晶面方向的断裂性能进行研究分析,探索并揭示Laves相金属间化合物Cr_2Nb的微观断裂机制,为改善Cr-Nb合金的室温脆性提供理论依据。首先,本文基于密度泛函理论的第一性原理方法深入计算分析了Laves相金属间化合物Cr_2Nb的三种晶胞结构体系C15、C14以及C36结构的生成焓与结合能、态密度等电子结构以及其弹性常数、弹性模量等力学性能,计算得到数据均与文献中的实验数据相吻合。分析计算得到的结果得出了C15结构的掺杂元素结合能力最强,同时其相稳定性也较高。其中C14的室温脆性最大,而C36结构的室温脆性是最小的。接下来,对掺杂合金元素M(M=Ti、W、Mo、V、Zr)的在C15-Cr_2Nb晶胞中的晶格占位进行计算,并计算得到了掺杂体系的态密度。并根据占位情况对掺杂M元素原子占不同总原子百分比的C15-Cr_2Nb掺杂体系的晶胞参数和力学性能进行了计算研究。由晶胞体系占位能分析可知,Ti和Zr倾向占据C15-Cr_2Nb中的Nb位置,而W、Mo和V原子倾向占据Cr原子的晶格位置,其中V原子倾向强烈,而W和Mo原子倾向较弱。在计算了体系态密度得到掺入W、V、Zr元素增加了Nb和Cr之间的杂化效应,可能对降低C15-Cr_2Nb的室温脆性有所帮助。掺杂Zr元素后随着浓度的升高掺杂体系的变形能力、相稳定都呈上升趋势,而脆性呈逐渐下降趋势,说明可能对体系脆性改善最大的是Zr元素。最后,通过计算掺杂体系沿(1 0 0)、(1 1 0)和(1 1 1)三个晶面方向拉伸断裂的断裂能G_c和临界应力σ研究了其断裂性能,从得到的断裂能G_c和临界应力σ数据结果可以发现掺杂原子W和V占据Cr空间位置以及掺杂元素Zr占据Nb空间位置能够增强C15-Cr_2Nb掺杂体系的断裂性能,其中掺杂元素W对掺杂体系断裂性能的改善有效果但不太理想。而掺杂元素Mo占据Cr空间位置以及掺杂元素Ti占据Nb空间位置降低了掺杂体系C15-Cr_2Nb的断裂强度。这些结果也与文献中的实验数据结果吻合。并通过计算差分电荷密度,得到计算体系(1 1 0)面的电荷密度图,从微观层面上揭示了M元素对C15-Cr_2Nb体系断裂性能的作用机理,表明掺杂元素M与体系原子之间的强烈杂化是改善Cr-Nb合金体系断裂性能的关键。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O346.1;TG144

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