钛基合金马氏体相变起因的研究

TiM(M为第Ⅷ族元素)形状记忆合金在微驱动器、生物医学以及储氢材料等领域有着重要的应用前景。这些应用都与钛基合金马氏体相变行为密切相关。然而这些合金的组成原子在其马氏体相变过程中起到的作用有什么不同并不清楚；特别是人们至今还不能解释此系列中有些合金(如TiNi，TiRh)能够发生马氏体相变，而几何结构和电子结构非常相近的部分合金(如TiCo)却不能发生马氏体相变的实验现象。这些问题的最终解决可以极大地改善人们对元素周期表中一片区域钛基合金马氏体相变行为的理解。本项目拟通过第一性原理计算研究钛基合金超晶胞畸变以及组成原子偏离理想平衡位置等过程中的势能面变化、原子周围区域电子云和化学键布局数等参数变化。根据组成原子偏离理想平衡位置过程中势能面变化试图弄清钛基合金组成原子在马氏体相变过程中的不同作用，根据连接各晶相势能面曲线和势垒高低等参数来解释钛基合金能或不能发生马氏体相变的起因。

本项目采用第一性原理方法研究了TiM (M为第Ⅷ族全部元素) 合金高温相B2相、中间相B19相和低温相的组成原子在偏离理想平衡位置过程中势能面。根据势能曲线趋势和势垒高度等参量分析组成原子在相变过程中的不同作用。其次，研究TiM (M为第Ⅷ族全部元素) 合金高温相B2相和中间相超晶胞某些晶面滑移或者同时伴随某些组成原子偏离理想平衡位置过程中的势能曲线。根据势能曲线趋势和势垒高度等参量解释TiNi等钛基合金能够发生马氏体相变而TiCo等钛基合金不能发生马氏体相变的原因。经过三年努力，已经取得阶段性成果，研究目标已经基本实现，相关成果正逐步发表在公开出版物上，完成情况良好。主要取得的成果如下：.(1) 弄清钛基合金中组成原子在相变过程中起到作用之不同。对于Ti基合金从高温相B2相降温至低温相过程中，主要是Ti原子振动频率逐步降低，最终趋于零导致新相出现。与M原子相比，Ti原子对于新相产生起到主要作用。.(2) 给出TiNi、TiPd、TiPt等合金能够发生马氏体相变而TiCo等合金不能发生马氏体相变的原因。在钛基合金TiM中M原子d轨道在晶体场中将分裂成t2g和eg轨道，价电子在t2g轨道上的简并性将促使体系发生姜-泰勒效应从而进一步降低能量。那些具备发生姜-泰勒效应的电子结构对应的钛基合金就可以发生马氏体相变，而不能发生姜-泰勒效应的钛基合金则不能发生马氏体相变。.(3) 我们预测TiRu和TiOs合金在较低温度下不能出现马氏体相变。