钛合金作为具有耐腐蚀、耐高温、无磁无毒、密度小比强度高等优良综合力学性能的新型轻质合金材料,被广泛应用于航天航空、深海探测和海洋工程装备等领域作为关键核心材料。近年来,在生物医疗领域β钛合金作为人体植入物上的优良表现使其备受关注,因而开发设计高强度与低弹性模量兼备的β钛合金也成为了研究重点之一。对高性能的钛合金的开发,需要严格的控制与合理的设计其组成成分以及组织结构来制备具有预期力学性能的钛合金,它是基于合金的组成成分、组织结构、机械性能、工艺的定量关系得到的综合结果。其中合金设计的关键是其成分和浓度,它们对合金的组织形貌和晶粒尺寸有至关重要的影响,决定了钛合金的综合力学性能。合金界面也是影响合金性能的重要因素之一,在钛合金的工业生产制备过程中晶界附近常常聚集大量氢元素导致材料脆化。氢元素在晶界中的偏聚导致晶界往往作为裂纹产生和裂纹扩展的通道,对合金的强度造成明显恶化,严重影响合金的力学性能。因此,探索钛合金中氢元素在钛合金晶界附近的分布、扩散和偏聚对理解钛合金中的氢脆现象具有极其重要的意义。综上所述,本文通过基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了钛合金的弹性性能以及晶界中的氢脆现象。(1)二元β钛合金的弹性性能。通过第一性原理方法,我们系统考察了过渡金属(包括3d,4d和5d金属元素)成分及其浓度对钛合金弹性模量的影响。我们发现铌与钛构成的二元合金具有最低的杨氏模量,这与钛-铌系合金常常作为人造骨骼的主要成分的情况相符。同时预测了同族金属铁、钌和锇具有极高的弹性性能,且铁的低廉价格使其与钛的合金具有极高的开发价值从而应用于航空航天、深海探测等领域。(2)钛晶界中的氢脆。采用第一性原理并在Rice-Wang热力学模型的框架下,全面研究了钛晶界与氢相互作用导致的脆化现象。我们确证了氢元素能显著降低晶间结合力,其强度为0.817ev/atom。通过对电子结构及键合特性的分析,发现晶界平面上的钛和氢原子形成了强的共价键,其中氢原子获得了约0.65个电荷,但垂直于晶界的钛-钛键被大幅减弱了。因此,氢的弱化效应是由于保持晶界粘聚力的钛-钛键的减弱,从而显著降低了晶界粘聚力。这项工作在电子水平上为氢与钛晶界相互作用导致的脆化现象提供了新的理解。