极端条件下Nb和Ta屈服强度软化行为研究

Previous researches show that the Vb transition metals demonstrate complicated physical and mechanical properties at high pressures, such as anomaly of superconducting transition temperature, strongly elastic anisotropy, shear modulus softening, the contradiction of phase transition and shear modulus softening with traditional d-electron bonding theory. Among them, the shear modulus softening is macroscopic behavior connected electron band effect with structure phase transition, and is also a vital evidence for the validity of Landa et al's theory model. Considering the experimental difficulty in measuring shear modulus and the close connection between shear modulus and yield strength, we propose by experimentally measuring yield strength to study the softening behavior of shear modulus of niobium and tantalum and verify the validity of the theory model. And we also study the constitutive relationship of niobium and tantalum with the high-pressure and high-temperature experimental data, and provide ways ad means for constitutive relationship study of the similar materials with abnormal mechanical property.

研究发现，第五副族过渡金属在高压下表现出复杂的物理和力学性质，如超导转变温度异常，强烈的弹性各向异性，高压下剪切模量软化，相变和剪切模量软化行为与传统过渡金属d电子成键理论的分歧等。这其中，高压下剪切模量软化是联系电子效应到结构相变这一理论的宏观表象，是Landa等人理论模型成立与否的重要判据。考虑到剪切模量实验测量困难，而位错理论描述的屈服强度和剪切模量之间存在密切联系，本项研究提出，通过静高压实验测量研究Nb和Ta的高温高压屈服强度，最高压力分别达60 GPa和90 GPa，最高温度达800 K，籍此研究剪切模量的软化行为，检验现有理论模型关于Nb和Ta的高压反常行为的预测。同时，根据测量的Nb和Ta高温高压屈服强度相关实验数据，探索研究其高压本构关系。希望通过对Nb和Ta这类可能存在高压软化行为材料的高压本构关系研究，为类似具有复杂力学行为材料的本构关系研究提供思路。

研究发现，第五副族过渡金属（VB，包括V、Nb和Ta）在高压下表现出复杂的物理和力学性质，如超导转变温度异常，强烈的弹性各向异性，高压下剪切模量软化，相变和剪切模量软化行为与传统过渡金属d电子成键理论的分歧等。这其中，高压下剪切模量软化是联系电子效应到结构相变的宏观表象，是Landa等人理论模型成立与否的重要判据。考虑到剪切模量实验测量困难，而位错理论描述屈服强度和剪切模量之间存在密切联系，本项目通过静高压实验研究了Nb和Ta的高温高压屈服强度，籍此研究剪切模量的软化行为，检验现有理论模型对Nb和Ta高压行为预测的可靠性，取得的主要结论有：1）系统研究了压力梯度法和线宽法两种静高压屈服强度测量技术，对这两种实验方法进行了改进和完善；2）采用改进的实验方法研究了Nb和Ta的高温高压屈服强度，最高实验压力和温度分别达到61 GPa和820 K，101 GPa和550 K；3）发现Nb和Ta的屈服强度在高温高压下反常下降，通过对衍射德拜环相对强度变化、衍射峰峰形变化以及等温压缩特性等的分析排除了织构、结构相变以及压致损伤等因素对Nb和Ta屈服强度软化的影响。基于屈服强度下降与理论模型预测的C44压力软化范围和压力软化规律吻合较好这一实验事实，指出了Nb和Ta高温高压屈服强度软化的本质物理原因。实验结果和理论研究良好的一致性对Landa等人关于VB金属的理论模型提供了有力支持，深化了对屈服强度压力软化物理机理的认识，促进了对VB金属高压物理性质的认识；4）发现Nb和Ta的高温高压屈服强度以及Landa等人理论模型给出的高压剪切模量均不能用Steinberg-Cochran-Guinan (SCG)经验本构模型描述，表明对于VB金属这类高压屈服强度或力学性质反常的材料，其本构模型研究尚需深入。