合金元素对NiTi合金功能特性影响的微观机理研究

NiTi shape memory alloys have been widely used in aeronatics and astranatics, medical and mechanical as well as electronic industry due to their large output of strain and power，as well as good mechanical properties. The experimental researchs show that the alloying elements play an important role in determining the phase transformation temperature, hysteresis as well as strin glass. However, it is difficult to optimize its functional properties further. In this proposal, the first-principles combined with phonon and Debye model will be used to study the effects of alloying elements Fe,Co,Cr,Pd, Hf,Cu, Nb, as well as impurity C and O on the martensite transformation temperature, elastic constant and B2/M interface energy. The purpose is to elucidate the mechanism of these alloying elements on martensite phase transformation, hysteresis as well as strain glass induced by point defects.The molecular dynamic method is used to study the effects of point defects in NiTi alloys on phase transtion and hystersis as well as strin glass from microscopic view of point. These mult-scale investigations are expected to provide the theoretical guide to the improvement of the functional properties of NiTi alloys.

NiTi形状记忆合金具有输出应变和输出功率大、综合力学性能和可加工性好等优点，已广泛应用于航空航天、生物医学和机械电子等领域。实验研究表明合金元素掺杂对NiTi合金的相变温度、热滞以及应变玻璃态的产生起着关键作用，但缺乏系统有效的理论研究。为进一步调控NiTi合金的功能特性,需要对合金元素影响NiTi合金功能特性的微观机制进行系统研究。本项目拟采用基于第一原理结合准谐德拜模型的方法，系统地研究典型合金元素Fe, Co, Cr, Pd, Hf, Cu, Nb以及杂质元素C和O对NiTi形状记忆合金的相变温度、弹性常数、奥氏体与马氏体界面能以及界面匹配度的影响规律，阐明合金元素对马氏体相变和热滞的影响机制以及点缺陷所致应变玻璃的物理本质；采用分子动力学方法从原子尺度研究NiTi二元合金中点缺陷对NiTi合金的相变特性以及热滞的微观机制。为调控NiTi合金的功能特性提供理论指导。

采用第一性原理研究了3d, 4d和5d合金元素掺杂对NiTi合金相变温度和热滞影响的微观机制；计算掺杂晶格常数和形成能；计算了过渡元素掺杂合金弹性常数C’和C44，阐明了马氏体相变的微观机制。研究了不同浓度的Pd、Cu、Zr掺杂NiTi合金相稳定性、马氏体相变温度，采用几何匹配原理讨论了相变过程中热滞行为。研究了Cr, Mn, Fe, Co, Pd, Cu不同浓度NiTi产生应变玻璃的物理本质，Cr, Mn, Fe, Co掺杂NiTi合金随掺杂浓度增加，马氏体相变温度降低，掺杂浓度进一步增加导致应变玻璃的产生；而Pd, Cu掺杂导致马氏体相变温度升高，掺杂浓度继续增加不会产生应变玻璃，从能量和电子结构方面阐明了应变玻璃本质。研究了杂质元素 C、H 和 O 对 NiTi形状记忆合金结构和能量影响，探讨C、H 和 O 对相变温度的影响机制。研究NiTi表面氧吸附，构建了NiTi表面的热力学相图；采用第一性原理方法计算固体的化学势，结合离子态化学势实验数据构建了Ni-Ti合金中金属Ti、Ni, NiTi, Ni3Ti, Ti2Ni等合金的电化学相图以及包含Cl-的电化学相图，第一次给出了从计算上构建二元或多元电化学相图普适方法，讨论了合金电化学腐蚀行为。采用分子动力学研究了NiTi单晶合金热诱导马氏体相变机制，揭示了NiTi单晶合金马氏体相变在热循环过程中是完全可逆相变，发现存在三种去孪晶方式。研究了Ni50+xTi50-x (0≤x≤2)体系进行温度循环加载时的相变机制， 0≤x≤1.5时发生马氏体相变；x>1.5时产生应变玻璃态；讨论了低温时的结构和能量变化以及应变玻璃加载的相变机制。研究了奥氏体对称倾斜晶界对NiTi合金马氏体相变影响规律，发现Σ3[11 0](1 1 2)和Σ9[11 0](2 2 1) 晶界阻碍马氏体相变；Σ9[11 0](1 1 4) 晶界促进马氏体相变；Σ3[11 0](1 1 1)晶界在热循环或抑制或促进马氏体相变；阐明了相变机制，为实验上实现晶界工程提供基础。研究了直径在2.41nm到21.06nm之间球形NiTi纳米颗粒的热致马氏体相变；颗粒直径减小，相变温度Ms下降；当颗粒直径减小到2.41nm时，B2-B19′相变被抑制，相变主要发生在芯区，而壳层区域不发生马氏体相变。研究了相界面对马氏体相变的影响机制。