论文部分内容阅读
本论文以V合金作为研究对象,采用计算与实验相结合的方法对合金的力学性能进行评估,以期设计开发出力学性能、特别是高温力学性能优异的V合金。采用相图计算方法计算优化了V-Ta,V-W,V-Ti二元V合金体系的相图,获得它们组成相的Gibbs自由能与成分温度关系的表达式。(1)计算所得V-Ta体系相图的液相与BCC相之间的相区分界线与实验数据吻合欠佳,Ta含量为50at.%以下合金的固/液平衡点高于实验值,且计算出的相图中没有显示C14相区。(2)V-W体系的相组成较简单,优化结果较准确,V-Ti体系的相图计算结果与实验数据吻合得很好。由V-Ta体系的二元相图计算结果得到在Ta含量低于30wt.%时V-Ta合金从常温至1200℃高温下热力学稳定。通过第一性原理计算弹性常数得到成分为V-10wt.%Ta左右的合金体系的拉伸和剪切强度大于纯V和其他Ta含量较高的合金体系,且表征其塑性的柯西压力C’及B/G的值与纯V接近,由此推断其强度和塑性良好。理想拉伸强度的计算也表明V-10wt.%Ta体系强度较高,但是与理想拉伸和剪切强度对应的塑性指标κ值对其塑性的预测结果不佳。电子态密度的计算则表明Ta与V能够形成一定程度的共价键,强化合金。标准力学拉伸实验得到二元V-Ta合金的强度随着Ta含量的增加而增加,但塑性降低。当Ta含量为10wt.%时,其室温抗拉强度能达到478.6MPa,大于同等制备和热处理工艺下得到的V-5Cr-5Ti的308.0MPa,伸长率和断面收缩率分别为30.7%和60.8%。V-10wt.%Ta体系在几种成分的V-Ta合金中力学性能最好,与计算相吻合。在1100℃温度下V-15wt.%Ta体系的抗拉强度为122.6MPa,大于V-5Cr-5Ti的102.6MPa,(?)长率和断面收缩率分别为40.6%和67.3%；Ta含量为10wt.%的合金在1100℃下的塑性表现最好,伸长率和断面收缩率为57.9%和82.0%,但强度较低,为83.4MPa。Ta含量为30wt.%左右的二元V-Ta合金的密度与不锈钢接近,但是其脆性明显,在不改变合金密度的情况下考虑向二元体系中添加第三组元以改善其力学行为。用第一性原理方法计算几种三元合金体系的弹性常数,得到当在V-30wt.%Ta体系中引入Fe元素后,体系的理想拉伸和剪切强度为17GPa和7GPa左右,大于纯V的11GPa和5GPa及其他元素固溶的合金体系。V-Ta-Fe沐系的塑性参量κ也与纯V的κ值接近,说明其可能具有良好的塑性。倘若强度要求已达到且用柯西压力和B/G对三元V合金的塑性进行评估,则是Cu的引入使合金力学性能较好。通过计算我们设计出可能具有较好强度和塑性的三元V合金。