β型钛合金相稳定性和弹性性能第一性原理研究

论文摘要

传统的钛合金具有优良的生物相容性、综合的力学性能、以及形状记忆性能和超弹性被广泛的成功应用于生物医用移植材料。但是近年来研究发现,传统钛合金由于弹性模量较高引发“应力屏蔽”效应,同时含有钒、铝以及镍元素,具有毒性引发过敏性反应。因此,设计开发新型无毒、低弹性模量生物医用β钛合金成为人们的研究热点。本论文运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了新型β钛合金的弹性性能和相结构的稳定性,提出了新型无毒、低弹性模量β钛合金理论设计原则。论文的主要结论如下:（1）二元β型Ti-Nb、Ti-Mo和Ti-Ta合金的β结构稳定性随着Nb、Mo和Ta含量的增加逐步增加,当其含量大于等于8.08%,3.7%和12.5% （原子百分数）时,能得到β相稳定结构,Nb、Mo和Ta对β结构稳定性影响的强弱顺序是:Mo>Nb>Ta。同时,三种二元合金的弹性模量E随着Nb、Mo和Ta含量的增加先减小后增加,当含量是25%时,三种合金系的弹性模量达到最小值,分别是37.5GPa、30.8GPa和37.9GPa。同时,进一步确定了具有最低弹性模量的二元β型Ti-Nb和Ti-Ta合金价电子浓度为4.25,Ti-Mo合金为4.5。（2） Ti6Mo2合金体系中的α、β和α"相的结构稳定性从强到弱的顺序是α">β>α,α相在Ti6Mo2合金体系中的不能稳定存在,且三种合金相的弹性模量从大到小的顺序是α>α">β。（3） Mo、Sn、Ta和Zr对bcc结构的Ti12Nb4的结构稳定性和弹性模量的影响各不相同,Mo和Ta元素既能够起到稳定β-Ti12Nb4相的作用,又能增加其合金相的弹性模量;Sn对β-Ti12Nb4相稳定性影响较小,而Zr却降低了β-Ti12Nb4相稳定性,且Sn和Zr对弹性模量的影响较小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 生物医用金属材料概述
• 1.2 生物医用金属材料的发展
• 1.2.1 贵金属系列
• 1.2.2 医用不锈钢系列
• 1.2.3 钴铬合金系列
• 1.2.4 钛及钛合金系列
• 1.3 生物医用钛及钛合金的发展
• 1.3.1 Ti 和Ti-6Al-4V
• 1.3.2 α+β型钛合金
• 1.3.3 近β和β型钛合金
• 1.4 生物医用钛合金弹性模量
• 1.5 选题意义及主要研究内容
• 1.5.1 选题意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 理论方法和工具
• 2.1 引言
• 2.2 Hohenberg-Kohn 定理和密度泛函理论
• 2.3 交换关联能近似
• 2.4 赝势法
• 2.5 系统的结构优化处理
• 2.6 工具软件简介
• 第3章 二元β钛合金的相稳定性和弹性性质的研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法和结构模型
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 晶格常数和结合能
• 3.3.2 弹性常数
• 44、C′和价电子浓度的关系'>3.3.3 C₄₄、C′和价电子浓度的关系
• 3.3.4 态密度
• 3.4 小结
• 第4章 TiMo 不同合金相的相稳定性和弹性性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法和结构模型
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 平衡结构性质和形成能
• 4.3.2 弹性性质
• 4.3.3 态密度
• 4.4 小论
• 12Nb₄合金的结构稳定性与弹性性质的影响'>第5章 合金元素对β-Ti₁₂Nb₄合金的结构稳定性与弹性性质的影响
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法和结构模型
• 5.3 结果及讨论
• 5.3.1 平衡结构性质
• 5.3.2 弹性常数和弹性性能
• 5.3.3 价电子浓度的影响
• 5.3.4 态密度
• 5.4 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表和完成的论文