氫在鈦晶體中作用的第一原理計算和分子動力學模擬研究.pdf

1、近年來鈦合金氫處理技術(shù)和理論的研究得到眾多材料工作者的重視，對鈦合金的氫處理工藝、氫處理后合金的力學性能、加工性能以及組織結(jié)構(gòu)等方面進行了大量研究，并取得了很多成果。但對于氫致鈦合金熱塑性機理的研究進展相對緩慢，缺乏從電子、原子尺度上闡述氫在鈦及鈦合金中的作用機理，以及從物理本質(zhì)上揭示氫致熱塑性機理的理論研究工作。本文采用第一原理平面波贗勢方法和分子動力學模擬方法系統(tǒng)研究了 Ti-H體系的晶體結(jié)構(gòu)、能量性質(zhì)、原子擴散性質(zhì)、彈性性質(zhì)和力學

2、性質(zhì)，從電子和原子層次上揭示了氫在鈦晶體中的作用機理。
　　氫在鈦晶體中的占位是建立合理的鈦-氫晶體結(jié)構(gòu)模型進而進行各種性質(zhì)計算的基礎(chǔ)，本文首先采用第一原理方法研究了氫在鈦晶體中的占位。結(jié)果表明，相同氫含量的α-Ti-H和β-Ti-H晶體中，氫原子位于八面體間隙時的晶體點陣畸變程度比氫原子位于四面體間隙時小，而其溶解熱絕對值比氫位于四面體間隙時大。氫原子在α-Ti和β-Ti晶體中均傾向于占據(jù)八面體間隙位置。氫原子占據(jù)α-Ti晶體的

3、八面體間隙后，其最近鄰 Ti原子的3p軌道部分電子向氫原子1s軌道轉(zhuǎn)移，H原子與最近鄰Ti原子間的鍵共價性較強。氫原子改變了其最近鄰鈦原子的電子態(tài)密度，降低了 Ti-Ti原子間成鍵的強度，氫在α-Ti中存在弱鍵效應。氫原子占據(jù)β-Ti晶體的八面體間隙后，改變了其周圍鈦原子的電子態(tài)密度，提高了 Ti-Ti原子間的成鍵強度，氫在β-Ti中存在強鍵效應。
　　原子間的相互作用勢是分子動力學模擬的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文在 EAM模型的基礎(chǔ)上，結(jié)

4、合 Johnson的分析型 EAM模型，建立了 Ti-H體系的EAM作用勢模型。采用Johson的分析型 EAM模型確定了 Ti原子的勢函數(shù)表達式，給出了模型參數(shù)；提出了新的H原子的勢函數(shù)表達式，通過擬合面心立方金屬氫的晶格常數(shù)、結(jié)合能、體積模量的第一原理計算結(jié)果以及氫在鈦中的溶解熱確定了模型參數(shù)?；诖四Ｐ?，采用分子動力學方法模擬計算了 Ti-H晶體的結(jié)構(gòu)和能量性質(zhì)以及氫在α-Ti-H晶體中的溶解體積和溶解熱，模擬結(jié)果驗證了所建模型的

5、合理性和可靠性。
　　基于本文建立的Ti-H體系 EAM模型，采用分子動力學方法研究了氫在α-Ti和β-Ti晶體中的擴散機制。氫原子在α-Ti晶體中的擴散存在各向異性，沿c軸方向擴散的激活能要小于沿基平面擴散的激活能，在基平面上的擴散機制為 O-T-O擴散。氫在β-Ti晶體中的擴散機制為最近鄰八面體間隙之間的直線跳躍。計算了氫在α-Ti和β-Ti晶體中的擴散激活能和頻率因子，計算結(jié)果與實驗結(jié)果和其它計算結(jié)果吻合較好。
　　基

6、于本文建立的Ti-H體系 EAM模型，采用分子動力學方法研究了氫對α-Ti和β-Ti晶體中鈦原子自擴散性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，氫降低了α-Ti晶體的單空位形成能和鈦原子自擴散遷移能及激活能，提高了鈦原子自擴散激系數(shù)，促進了鈦原子自擴散運動。氫提高了β-Ti晶體的單空位形成能和鈦原子自擴散遷移能和激活能，降低了鈦原子自擴散激系數(shù)，阻礙了鈦原子自擴散運動。
　　計算了α-Ti-H和β-Ti-H晶體的彈性模量。結(jié)果表明，氫提高了α-Ti晶

7、體的體彈性模量，降低了α-Ti晶體的楊氏模量和剪切模量；不同氫含量的β-Ti-H晶體的體彈性模量、楊氏彈性模量和剪切彈性模量的計算值均大于β-Ti晶體的計算值，氫提高了β-Ti晶體的彈性模量。
　　基于本文建立的Ti-H體系 EAM模型，采用分子動力學方法模擬了 Ti和Ti-H晶體的變形行為。結(jié)果表明，α-Ti-H晶體沿 c軸斷裂的的拉應力臨界值和沿{0001}<1210>剪切的切應力臨界值隨著溫度的升高和氫含量的增加而下降。氫降