【摘 要】
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弹性性能常被用来衡量材料的力学性能,虽然弹性性能可以精确的预测在平衡位置附近材料的力学行为,却无法准确的描述材料在大应变下的力学性能。理想强度是破坏无缺陷晶体结构所需的最小应力,它设定了材料可以达到的强度上限,是材料的内在性质,更适合用来描述材料的力学性能。本文基于密度泛函理论,结合特殊准随机结构对Ti Zr Hf基六角多组元合金包括弹性性能和理想强度在内的本征力学性能进行了研究。主要研究内容为:
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弹性性能常被用来衡量材料的力学性能,虽然弹性性能可以精确的预测在平衡位置附近材料的力学行为,却无法准确的描述材料在大应变下的力学性能。理想强度是破坏无缺陷晶体结构所需的最小应力,它设定了材料可以达到的强度上限,是材料的内在性质,更适合用来描述材料的力学性能。本文基于密度泛函理论,结合特殊准随机结构对Ti Zr Hf基六角多组元合金包括弹性性能和理想强度在内的本征力学性能进行了研究。主要研究内容为:1、基于特殊准随机结构,采用第一性原理方法研究了新型密排六方中熵合金Ti Zr Hf的力学性能。还研究了其组成单质Ti、Zr、Hf、二元合金Ti Zr、Ti Hf和Zr Hf的弹性性能和应力应变以验证计算精度。得到的弹性常数表明Ti Zr Hf合金和所有单质及二元合金是力学稳定的。Ti Zr Hf的弹性常数表明其低估了强化作用。相对而言,Ti Zr Hf具有较大的强度和刚度,并且从几个标准来看,也表现出较小的弹性各向异性。特别的,对理想强度进行了进一步的研究。Ti Zr Hf以及所有单质和二元材料的理想拉伸强度（ITS）均发生在[11-20]方向。Ti Zr Hf的ITS为3.87 GPa,相应的临界拉伸应变为0.08。所有研究材料的理想剪切强度（ISS）出现在（10-10）＜11-20＞剪切系统中。在0.09的临界应变下,Ti Zr Hf的ISS为2.11GPa。拉伸和剪切应力-应变曲线的初始斜率与根据弹性常数计算的拉伸杨氏模量和剪切模量很好地吻合。此外,根据ITS估算得到的合金的临界剪切应力小于合金的理想剪切强度ISSτ{10-10[11-20],表明研究合金在拉伸破坏前更倾向于剪切滑移。从剪切应力-应变关系出发,研究了所有计算合金的内在剪切性和位错芯的半宽度。然后通过详细的键长分布和电荷密度分布演化,进一步研究了Ti Zr Hf力学性能的内在机理。在临界拉伸应变点下,由于均匀性,键的同时断裂导致拉伸应力急剧下降。而对于剪切变形,化学键是逐渐断裂的。2、采用基于特殊准随机结构的第一性原理理论研究了新型六角高熵合金Hf0.25Ti0.25Zr0.25Sc0.25-x Alx（x≤15%）的本征力学性能,并重点研究了Al含量对合金本征力学性能的影响。得到的形成焓和弹性常数反映了合金的热力学和力学稳定性。Al取代Sc后,体模量、剪切模量和杨氏模量均呈下降趋势,而HEAs的延性增强。随着Al含量的增加,合金表现出更强的弹性各向异性,并获得了沿几个典型方向的剪切和拉伸杨氏模量。而且,HCP HEAs的理想强度研究表明,HCP HEAs的理想拉伸强度（ITS）发生在[11-20]方向,随着Al含量从0.00增加到0.15,其理想拉伸强度（ITS）从5.34 GPa下降到3.80GPa,而相应的临界拉伸应变从0.07增加到0.08。理想剪切强度（ISS）发生在（10-10）＜1120＞剪切系统。随着Al含量从0.00增加到0.15,ISS从3.71 GPa降低到2.46 GPa,临界剪切应变也从0.10增加到0.11。因此,随着Al浓度的增加,HEAs的ITS和ISS的降低,延展性增大。值得注意的是,从弹性参数看,拉伸、剪切应力应变的初始斜率与拉伸、剪切模量较好的吻合,且随Al含量的增加呈现下降趋势。由ITS估算出的HEAs的临界剪切应力（CRSS）小于相应的ISS,说明滑移优先于解理。对高熵合金的内在剪切性和位错芯的半宽度也进行了评价和讨论。进一步从电子结构的角度研究了键长随应变的演化过程,从Al元素的加入引起的Al-M原子对的特征出发,揭示了HfTiZrSc1-xAlx延性增强的机理。为深入了解HfTiZrSc1-xAlx合金力学性能的内在机理提供了更多的细节。
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