β型钛合金论文：β型钛合金弹性模量第一性原理价电子浓度

β型钛合金论文：β型钛合金弹性模量第一性原理价电子浓度
【中文摘要】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。

【英文摘要】The traditional Ti alloys have been successfully applied as biomedical implant materials due to their superior biocompatibilty,mechanical property, shape memory property and superelasticity. However, the high elastic modulus of the traditional Ti alloys may cause the“stress shielding’’when they are impanted in human body. Moreover Ni, V and Al are cytotoxic, which may cause the adverse tissue reaction. Therfore, developing newβTi alloys with lowering the elastic moduli and promoting the safety of the alloys are a hot topic in this research field. In this thesis, the elastic characteristic and phase stability of the novelβTi alloys were investigated by the calculations from first-principles based on density functional theory, and the principle to design the newβTi alloys with a low modulus is suggested. The main conclusions are as follows:（1） The structural stability of βTi-Nb, Ti-Mo and Ti-Ta alloys increased with Nb, Mo and Ta content increasing. Theβphase appear in Ti-Nb, Ti-Mo and Ti-Ta alloys when the Nb, Mo and Ta content are 8.08%, 3.7% and 12.5% （in atom pesent）, respectively. The strength to stabilize
βphase of Nb, Mo and Ta is in the sequence of Mo>Nb>Ta. The elastic modulus ofβTi-Nb, Ti-Mo and Ti-Ta alloys first decrease and then increase with the increase of Nb, Mo and Ta content and the lowest value are achieved to be 37.5GPa、30.8GPa and 37.9GPa when the Nb, Mo and Ta content are about 25%, respectively. Moreover, the critical valence electronic number for realizing the lowest elastic modulus inβTi-Nb, Ti-Mo and Ti-Ta alloys are about 4.25 forβTi-Nb and Ti-Ta, and 4.5 for βTi-Mo.（2） The phase stability ofα、βandα” of Ti6Mo2 alloys followed the order ofα”>β>α, andαof Ti6Mo2 alloys wasn′t exist at 0K. The elastic modulus E ofα、βandα” of Ti6Mo2 alloys followed the order ofα>α”>β.（3） The effects of Mo, Sn, Ta and Zr elements on the structure stability and elastic properties of Ti12Nb4 were different. Mo and Ta can stabilize theβphase and increase the elastic modulus; Sn has less effect on the structure stability ofβphase. Zr can decrease theβphase stablility. Sn and Zr have little effect on the elastic modulus of theβ-phase Ti12Nb4.
【关键词】β型钛合金弹性模量第一性原理价电子浓度
【英文关键词】βTi alloys elastic modulus first-principles valence electron number
【目录】β型钛合金相稳定性和弹性性能第一性原理研究摘要
4-5Abstract5第1章绪论8-18 1.1 生物医用金属材料概述8-9 1.2 生物医用金属材料的发展9-11 1.2.1 贵金属系列9-10 1.2.2 医用不锈钢系列10 1.2.3 钴铬合金系列
10 1.2.4 钛及钛合金系列10-11 1.3 生物医用钛及钛合金的发展11-14 1.3.1 Ti 和Ti-6Al-4V11-12 1.3.2 α+β型钛合金12 1.3.3 近β和β型钛合金12-14 1.4 生物医用钛合金弹性模量14-16 1.5 选题意义及主要研究内容16-18 1.5.1 选题意义16 1.5.2 主要研究内容16-18第2章理论方法和工具18-24 2.1 引言18 2.2 Hohenberg-Kohn 定理和密度泛函理论18-21 2.3 交换关联能近似21-22 2.4 赝势法22 2.5 系统的结构优化处理22-23 2.6 工具软件简介23-24第3章二元β钛合金的相稳定性和弹性性质的研究24-37 3.1 引言
24-25 3.2 计算方法和结构模型25-26 3.3 结果和讨论
26-36 3.3.1 晶格常数和结合能26-28 3.3.2 弹性常数
28-32 3.3.3 C_(44)、C′和价电子浓度的关系32-34 3.3.4 态密度34-36 3.4 小结36-37第4章 TiMo 不同合金相的相稳定性和弹性性能研究37-43 4.1 引言37 4.2 计算方法和结构模型37-38 4.3 结果与讨论38-42 4.3.1 平衡结构性质和形成能38-39 4.3.2 弹性性质39-41 4.3.3 态密度41-42 4.4 小论42-43第5章合金元素对β-Ti_(12)Nb_4合金的结构稳定性与弹性性质的影响43-50 5.1 引言43 5.2 计算方法和结构模型43-44 5.3 结果及讨论44-49 5.3.1 平衡结构性质
44-45 5.3.2 弹性常数和弹性性能45-47 5.3.3 价电子浓度的
影响47-48 5.3.4 态密度48-49 5.4 小结49-50第6章总
结与展望50-52 6.1 总结50 6.2 研究展望50-52参考文献
52-57致谢57-58攻读硕士期间发表和完成的论文58
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