钛与钛铝化合物基合金相变及力学性能的价电子理论研究

论文摘要

近年来，钛及钛铝化合物基合金在理论和实验研究与发展上都取得了很大的进展，这些进展是通过合金化、加工技术及热处理来实现的。其进一步的发展要求在相变基本理论方面、相及相界面电子结构、显微组织与其相应性能之间的关系等方面有更深入的研究。本文以EET和改进的TFD理论及合金成分设计价电子理论思想为基础，计算钛及钛铝化合物基合金相及相界面的价电子结构，研究价电子结构参数与相变过程、力学性能的关系，分析常用合金元素的合金化行为。本研究试图从电子结构层次上阐释合金强韧性微观本质，计算钛合金相体积分数与相变温度，基于合金成分与组织结构，定量计算合金力学性能。研究结果归纳如下： 1．阐释了与合金相变及力学性能有关的价电子结构参数，即相结构因子和界面结合因子的概念，给出了钛与钛铝化合物基合金相空间及相界面价电子结构计算模型与方法，计算了钛与钛铝化合物基合金相空间及相界面价电子结构参数。 2．分析了钛合金α和β相相空间及α／β相界面的价电子结构，探讨了相及相界面价电子结构参数与力学性能的关系。当nAβ-Ti-M＞nAβ-Ti时，β稳定元素M有利于β相区的扩展，能够稳定β相，降低β→α转变温度。β稳定元素M均使β-Ti-M固溶体的σN值增大，使组成相的原子价态能在更大的范围内变动以适应外界条件的变化，从而使合金相的稳定性增强。含Al、Sn的β相的F值小于β-Ti的F值，含Cr的β相的F仅稍大于β-Ti的F值，因而Al、Sn、Cr不利于β相的稳定性。合金元素的加入均使β-Ti晶格电子密度ρVL下降，使键络强弱分布的差距进一步加大，使合金塑性下降。Ti-4.5Al-5Mo-1.5Cr合金韧性高于Ti-6Al-4V合金的本质原因在于其相及相界面价电子结构优于Ti-6Al-4V合金的价电子结构。 3．基于钛合金基本组成相的晶体结构特点及原子配位关系，定义了能够判断退火与淬火态钛合金中β稳定元素稳定能力的退火临界晶胞系数CktM和淬火临界晶胞系数CkzM。在不同热处理条件下，β稳定元素稳定能力不同，与其原子外层电子结构状态及原子百分比含量xatM有关，即CktM与CkzM愈大，β稳定元素M的稳定能力愈强，∑xatM、∑CktM、∑CkzM愈大，钛合金室温组织中β相的体积分数愈多。 4．在退火临界晶胞系数CktM和淬火临界晶胞系数CkzM及β稳定元素原子百分比含量

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• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 合金价电子结构与合金设计的国内外研究进展
• 1.3 理论基础
• 1.3.1 余氏理论
• 1.3.2 程氏改进的TFD理论
• 1.3.3 程氏改进的TFD理论与余氏理论的关系
• 1.3.4 合金成分设计的价电子理论
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 相结构因子与界面结合因子的计算方法
• 2.1 相空间电子结构与相结构因子
• 2.2 异相界面电子结构与界面结合因子
• 2.3 相空间电子结构与相结构因子的计算
• nα^n-v与实验键距D_na'>2.3.1 键名D_nα^n-v与实验键距D_na
• α'>2.3.2 等同键数I_α
• α'方程'>2.3.3 log r_α'方程
• α的计算'>2.3.4 n_α的计算
• nα与键距差△D_nα'>2.3.5 理论键距（?）_nα与键距差△D_nα
• α值的确定'>2.3.6 n_α值的确定
• N的计算'>2.3.7 相结构因子σ_N的计算
• 2.3.8 相结构因子F的计算
• V^L与ρ_V^C的计算'>2.3.9 相结构因子ρ_V^L与ρ_V^C的计算
• 2.3.10 α-Ti晶胞相空间价电子结构
• 2.4 异相界面电子结构与界面结合因子的计算
• 2.4.1 计算方法
• 2.4.2 计算举例
• 2.5 小结
• 第三章 钛合金相及相界面价电子结构与力学性能
• 3.1 引言
• 3.2 β相价电子结构的计算
• 3.2.1 β-Ti价电子结构的计算
• 3.2.2 β-Ti-M的价电子结构计算
• 3.3 α相价电子结构的计算
• 3.3.1 α-Ti的价电子结构计算
• 3.3.2 α-Ti-M的价电子结构计算
• 3.4 相空间价电子结构与力学性能
• A与固态相变的关系'>3.4.1 相结构因子n_A与固态相变的关系
• N与变形抗力的关系'>3.4.2 相结构因子F、σ_N与变形抗力的关系
• V^L及键络空间分布n_α与塑性的关系'>3.4.3 相结构因子ρ_V^L及键络空间分布n_α与塑性的关系
• 3.5 合金元素的选择
• 3.6 α／β相界面价电子结构计算
• 3.6.1 α-Ti-M晶胞（0001）晶面的电子密度
• 3.6.2 β-Ti-M晶胞（110）晶面的电子密度
• 3.6.3 △ρ和σ及σ的计算
• 3.7 Ti-4.5Al-5Mo-1.5Cr增韧机制研究
• 3.7.1 合金中的相及相界面
• 3.7.2 计算结果与分析
• 3.8 小结
• 第四章 钛合金中β相体积分数的近似计算
• 4.1 引言
• 4.2 钛合金的相变与热处理
• 4.2.1 钛合金中β相的相变
• 4.2.2 钛合金的热处理
• 4.3 退火临界晶胞系数和淬火临界晶胞系数的计算
• 4.3.1 临界浓度与β稳定系数
• 4.3.2 钛合金的分类
• kz^M的计算'>4.3.3 淬火临界晶胞系数C_kz^M的计算
• kt^M的计算'>4.3.4 退火临界晶胞系数C_kt^M的计算
• 4.4 钛合金中β相体积分数的计算模型及应用举例
• 4.4.1 计算方法
• 4.4.2 计算举例
• 4.4.3 计算结果与分析
• 4.5 β相体积分数与弹性模量的关系
• 4.6 小结
• 第五章 钛合金多型性转变温度的价电子理论计算
• 5.1 引言
• 5.2 影响β转变温度的因素
• 5.2.1 合金化元素的类型和含量
• A'>5.2.2 相结构因子n_A
• 5.2.3 α相与β相的晶胞权重
• 5.3 钛合金β转变温度计算的几点假设
• β的计算'>5.4 β转变温度T_β的计算
• α的计算'>5.4.1 温度增量△T_α的计算
• β的计算'>5.4.2 温度减量△T_β的计算
• 5.5 计算举例
• 5.5.1 Ti-6Al-4V的β转变温度计算
• 5.5.2 钛合金Ti-52433的β转变温度计算
• 5.5.3 常用钛合金的β转变温度计算
• 5.5.4 误差分析
• 5.6 小结
• 第六章 钛铝化合物基合金相空间价电子结构与力学性能
• 6.1 引言
• 6.2 γ-TiAl的价电子结构
• 6.3 合金γ-TiAl的价电子结构
• 6.3.1 γ-（TiM）Al的价电子结构
• 6.3.2 γ-Ti（AlM）的价电子结构
• 2-Ti₃Al的价电子结构'>6.4 α₂-Ti₃Al的价电子结构
• 2-Ti3Al的价电子结构'>6.5 合金α₂-Ti3Al的价电子结构
• 6.6 计算结果与分析
• 6.6.1 合金γ-TiAl价电子结构与力学性能
• 2-Ti₃Al价电子结构与力学性能'>6.6.2 合金α₂-Ti₃Al价电子结构与力学性能
• 6.7 小结
• 第七章 钛铝化合物基合金异相界面价电子结构与力学性能
• 7.1 引言
• 2／γ界面价电子结构计算与增韧机制分析'>7.2 双相TiAl合金α₂／γ界面价电子结构计算与增韧机制分析
• 7.2.1 γ-（TiM）Al（111）面上的共价电子密度
• 2-（Ti₂M）Al（0001）面上的共价电子密度'>7.2.2 α₂-（Ti₂M）Al（0001）面上的共价电子密度
• 7.2.3 △ρ和σ及σ′的计算
• 7.2.4 计算结果与分析
• 3Al基合金异相界面价电子结构计算与力学性能分析'>7.3 Ti₃Al基合金异相界面价电子结构计算与力学性能分析
• 0.5xAl_0.5M_0.5y（110）晶面共价电子密度的计算'>7.3.1 β-Ti_0.5xAl_0.5M_0.5y（110）晶面共价电子密度的计算
• 2-（Ti_xM_y）Al（0001）晶面共价电子密度的计算'>7.3.2 α₂-（Ti_xM_y）Al（0001）晶面共价电子密度的计算
• 7.3.3 △ρ与σ的计算
• 7.3.4 计算结果与分析
• 7.3.5 Nb、Mo、V的合金化行为
• 7.4 小结
• 第八章 全片层组织TiAl-Nb合金屈服强度的价电子理论计算
• 8.1 引言
• 2相体积分数的计算'>8.2 TiM-Nb合金α₂相体积分数的计算
• 8.3 TiAl合金屈服强度的计算
• 2相的强化系数'>8.3.1 α₂相的强化系数
• 2相的强度'>8.3.2 α₂相的强度
• 2／γ相界面强化系数'>8.3.3 α₂／γ相界面强化系数
• 2／γ相界面的强度'>8.3.4 α₂／γ相界面的强度
• 8.3.5 双相TiAl合金屈服强度的计算
• 8.4 双相TiAl-Nb合金屈服强度的计算
• 2相中的分布'>8.4.1 Nb在γ和α₂相中的分布
• 8.4.2 双相TiAl-Nb合金中各相体积分数的确定
• 8.4.3 双相TiAl-Nb合金屈服强度的计算
• 8.4.4 TiAl-8Nb合金屈服强度的计算
• 8.4.5 TiAl-10Nb合金屈服强度的计算
• 8.6 小结
• 第九章 总结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间撰写的论文与专著
• 作者简介