高温高压极端条件下剪切诱导难熔金属相变机制的理论研究

针对目前备受国内外科研人员关注的难熔金属高压熔化曲线存在巨大分歧的科学问题，本项目拟以难熔金属的典型代表钽为研究对象，采用密度泛函和分子动力学的理论模拟方法，在充分考虑高温下晶格非谐效应得到钽在极端条件下相变详细数据的基础上，深入研究在引入剪切场的情况下固-固、固-液相界的移动方向；采用平衡和非平衡分子动力学模拟方法对极端条件下引入剪切应力后样品的性状进行动态模拟，监测样品中原子层的滑移及位错路径信息，得出剪切应力对钽在高温高压极端条件下相变的诱导机制，进而从难熔金属固-固相变及剪切诱导相变机制等方面，尝试更深入理解动、静高压熔化温度实验结果间巨大差异的内在原因，为今后其它难熔金属固-固相变及熔化研究结果中存在的类似问题的解决提供参考。

金属Ta是一种具有高熔点的工程材料，近年来对以其为代表的难熔金属的高压熔化温度实验研究结果之间存在巨大分歧。本项目中，我们采用密度泛函理论和分子动力学模拟技术对Ta的高压结构相变及剪切应力对高压结构相变的影响机制进行了系统研究，取得了一系列新的认识。首先，对文献中之前提出的高温高压下可能存在的六角\omega相进行了力学及热力学稳定性的检验，发现其在高温高压下并不稳定。其次，为了寻找高温高压下Ta可能的晶体结构，我们首先自主开发了用于晶体结构搜索的多算法协同晶体结构搜索算法和MUSE程序包，并且自主开发出了基于准谐近似自动计算相图和自动画图的程序包PHASEGO；经过测试，这两个程序包具有工作效率高和稳定性好的特征，可以作为材料设计和物性研究领域通用的程序包。然后，我们采用自主开发的两个程序包对金属Ta的高压下的结构进行了基于密度泛函的全局预测，发现了一种具有Pnma对称性的晶体结构，其同时满足力学和热力学稳定的条件。接着，通过采用精确的基于热力学积分的自由能计算法，我们初步得到了Ta从bcc到Pnma的结构相变的温度压力区间，大规模冲击的模拟技术显示剪切作用对相变具有促进作用，降低了相变的温度和压力数值。最后，我们对相关的过渡金属材料Mo和Fe的结构相变和高压熔化特性进行了系统研究，得到了一些新的认识。