毕业设计钴元素对钛镍合金的B2R马氏体相变的影响

毕业设计（论文）论文题目钴元素对钛镍合金的B2→R马氏体相变的影响学生姓名学号所在院系专业班级机械设计制造及其自动化导师姓名职称完成日期摘要钛镍合金因其拥有良好的力学性能、耐腐蚀性能、优良的形状记忆效能和丰富的马氏体相变现象而受到国内外学者及工业界的高度重视，大量科学研究表明钛镍合金中的相变现象十分复杂，冷却时按照母相→无公度相→公度相（R）→马氏体的顺序转变，这些相变相互重叠，难以独立研究各个相变行为，最近，这些问题通过添加第三合金元素或热处理等方法使上述相变过程相分离而得以解决。我们使用第一原理密度泛函理论计算，研究了用不同浓度的钴（Co）去替代TimNim-1Co的B2和R相中非等位价位点处Ni的行为。我们发现不需要聚合，Co原子在R相中可以招致剧烈原子尺度的局部晶格畸变，并使其最近的相邻环境像介于B2和R之间的中间结构。此外，其溶液能量在R相中低于B2相，这表明Co倾向于使马氏体相对于奥氏体稳定。B2和R相的内聚能差异，使马氏体相变温度也不同，随着Co浓度的增加而降低，直到Co含量超过临界水平R相自动转变为B2相，马氏体相变完全被抑制。关键词：钛镍合金；马氏体相变；第一原理计算；形状记忆合金EffectofCoElementonB2-RMartensiticTransformationofTiNiAlloyABSTRACTTiNialloybecauseofitsgoodmechanicalproperties,corrosionresistance,excellentshapememoryperformanceandrichmartensitictransformationphenomenonbydomesticandforeignscholarsandindustryattention,alargenumberofscientificstudieshaveshownthatTiNiThephasetransitioninthealloyisverycomplicated,anditisdifficulttoindependentlystudythephasetransitionbehaviorintheorderofthemotherphase→thecommissuralphase→thecommissuralphase(R)→themartensite.Theseproblemsaresolvedbyseparatingthephasechangeprocessbyaddingathirdalloyingelementoraheattreatment.WecalculatedthebehaviorintheB2andRphasesofTimNim-1CowithdifferentconcentrationsofCoinsteadofdifferentphasesitesNibyusingthefirstprincipledensityfunctionaltheory.Wefoundthatnopolymerizationwasrequired,andCoatomscouldcauselocallatticedistortionattheviolentatomicscaleintheRphaseandmakethenearestadjacentenvironmentliketheintermediatestructurebetweenB2andR.Inaddition,thesolutionenergyislowerintheRphasethantheB2phase,indicatingthatCotendstostabilizethemartensiterelativetoaustenite.B2andRphase,themartensitictransformationtemperatureisdifferentanddecreaseswiththeincreaseofCoconcentrationuntiltheCocontentexceedsthecriticallevel.TheRphaseisautomaticallytransformedintoB2phase,andthemartensitictransformationiscompletelyinhibition.Keywords：TiNialloy;martensitictransformation;firstprinciplecalculation;shapememoryalloy.目录1绪论..................................错误!未定义书签。1.1材料科学的发展史.........................错误!未定义书签。1.2钛镍合金.................................................21.3钛镍合金的马氏体相变.....................................21.4钴元素的添加.............................................32计算模型及方法.........................................52.1量子力学第一原理计算方法.................................52.2研究方法.................................................53计算数值分析..........................................103.1Co在TiNi中的占位......................................103.2Co对TiNi合金R相马氏体稳定性的影响....................123.3Co诱导的原子尺度晶格畸变...............................143.4Co的掺入对其周围原子位置的具体影响.....................193.5TiNi合金B2→R马氏体相变转化的温度变化..................223.6本章小结................................................234总结.................................................25参考文献.................................................26致谢.....................................................27附录.....................................................28１绪论1．1材料科学的发展史“材料”是社会发展的基础，是人类进步的关键。因为我们使用不同的材料能够制造出各种有用的器物，现如今，材料、信息和能源一起构成了我们生存的基本资源环境，其中，材料又显得尤其重要。历史学家依据我们使用工具材料的不同而将人类社会分为：石器时代、青铜器时代和铁器时代。以古猿类为起点，直到原始人类时期，“石器”一直作为主要工具被使用；约在原始社会的末期，出现了用火烧制的陶器；东汉时期，“瓷器”的出现可以说对人类文明产生了巨大而深远的影响，随着时间的推移，瓷器先后传遍世界各地，俨然已经成为中国古代文化的代表。四千多年前，我们的祖先开始开采、使用天然存在的纯铜，及至殷、商时期，我国对青铜的冶炼与制造技术已发展到了一个较高的水平；春秋战国时期，我国劳动人民又将青铜的性能、成分和用途之间的规律进一步完善，如在《周礼▪考工记》一书中便有对青铜器成分、用途的详细描述和总结出来的“六齐”规律，这被认为是世界范围内最早有关金属材料合金化的总结。西汉至明朝，无论是钢铁生产技术、热处理技术还是钢铁材料的应用，我们国家均已能达到较高水平。西汉司马迁的《史记▪天管书》、东汉班固的《汉书▪王褒传》、明代宋应星的《天工开物》等科学史书中都有这方面的详细记载与论述[1]。18世纪，世界工业以欧洲为中心迅猛发展，所以对材料的品质、数量上的要求也变得越来越高，这极大推进了材料工艺的进一步发展。1863年，光学显微镜出现，并被引入金属微观研究而衍生出“金相学”。这使金属材料学科的研究与发展变得日新月异。如今，我们已跨入人工合成材料的新时代。许多发达国家的首脑都对材料科学研究高度重视。1986年，《美国科学人》曾在一篇有关材料研究的专题文章中指出，经济增长速率的极限由材料科学研究的进展所决定。放眼国内，1978年的科学大会提出了八大新兴综合性科技领域，其中材料科学技术占有一席之地。不仅如此，我国之后的每个五年计划中都一直将其视为我国发展的重点。因此在世界范围内，高科技的发展离不开高新材料技术的提高，高新材料技术起到先导和基础作用，被视为“突破口”。一般来说，在固体材料领域里与工程相关、并主要应用在机械制造业、航空、航天及建筑等方面的材料被我们称为“工程材料”。在工程上一般按照材料的化学性质将其分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等几大类。金属材料。目前来说，是工程材料中使用量最大、用途最广的，一直占据着市场主导地位。此类材料拥有优良的力学、工艺性能和成本低廉等综合优势，但由于现代高新技术对特殊性能材料市场需求量的增加，使得钢材已经走过了其最为鼎盛的那段时期。高分子材料。又常称为“聚合物”，按照其使用的途径和使用时的状态，我们常常把高分子材料分为塑料、橡胶、合成纤维和胶黏剂等多种类型。因其具有质量轻、耐腐蚀性好等金属材料不具备的优秀特性，因此其发展速度相当的快。陶瓷材料。一般指硅酸盐、金属和非金属元素的氧化物、氮化物等。一般可分为：传统陶瓷、特种陶瓷（也称新型陶瓷）和金属陶瓷。复合材料。在实际工程中，各具优缺点的金属、陶瓷、高分子材料，似乎“鱼与熊掌不可得兼”，因此人们便开始将以上两种或两种以上的材料，微观结合在一起而形成的，就是复合材料。依据其基体的不同，常将其分作:树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。在现代工业中，前者已经处于成熟应用阶段，而后两者因其制造工艺复杂、成本高等弊端而仍处于研制和开发阶段。1.2钛镍合金钛镍合金：顾名思义，是一种由钛、镍两种元素组成的二元合金，是一种具有形状记忆效应的合金。人们曾相继发现热弹性马氏体相变及其引起的形状记忆效应，只可惜并未引起重视，直到1963年，美国海军武器实验室的W.Bue-hler等人[2]在Ti-Ni等原子比合金中发现了形状记忆效应之后，这种具有特殊性能的合金才慢慢进入人们的视线。随着时间的推移，人们对钛镍合金进一步的研究发现钛镍合金不仅仅是一种形状记忆合金这么简单，钛镍合金还具有超弹性，是指在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变，在卸载时应变可以自动恢复的现象；抗腐蚀性能，有研究表明钛镍丝的抗腐蚀性能与不锈钢丝不相上下；抗毒性，已知镍有致癌和促癌的作用，一般情况下，表面的钛氧化充当了一层屏障，使得钛镍合金具有良好的生物相容性，表面的氧化物能抑制镍的释放；口腔内温度变化敏感性，这一特性被广泛应用于介入治疗、整形外科和牙科等医学领域中,如腔道和血管支架、接骨固定器、牙齿矫形丝等[3−5]。此外，钛镍合金还具备高疲劳寿命、高阻尼等诸多优良特性。因此钛镍合金虽然价格昂贵，也比较难加工，但却得到了十分广泛的应用。时至今日，钛镍合金已在全球范围内迅速发展，其应用领域遍及人类生活，如机械电子、建筑、化工及航空航天等方面。钛镍合金正逐步走近、融入我们的生活，相信在不久的将来，有关钛镍合金的研究定会取得更大的成果，其发展前景不可估量。1.3钛镍合金的马氏体相变“马氏体”在19世纪90年代首次由德国冶金学家阿道夫▪马滕斯从一种硬质矿物中被发现。最初是将钢（中、高碳钢）加热到一定温