Электронные, колебательные и тепловые свойства α и β титана

УДК 546.82

  • Сергей Олегович Каспарян Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск, Россия); Национальный исследовательский Томский государственный университет (Томск, Россия) Email: kasparyan@ispms.tsc.ru
  • Александр Викторович Бакулин Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск, Россия) Email: bakulin@ispms.tsc.ru
  • Светлана Евгеньевна Кулькова Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск, Россия) Email: kulkova@ispms.tsc.ru
Ключевые слова: титан, фазовая стабильность, электронная структура, фононная подсистема, термодинамические характеристики, расчеты из первых принципов

Аннотация

Титан и сплавы на его основе широко используются для различных технологических приложений в аэрокосмической, автомобильной, судостроительной промышленности, поскольку имеют хорошее соотношение прочности и веса, а также обладают хорошей комбинацией механических свойств. Для понимания фундаментальных свойств титана, а также фазовых превращений необходимо изучение электронной и фононной структуры его основных фаз. Хотя такие исследования интенсивно ведутся с середины прошлого века, исследования теоретическими методами фононной подсистемы и свойств на ее основе остаются редкими. Методом проекционных присоединенных волн в рамках теории функционала электронной плотности рассчитаны атомная и электронная структура α и β титана. Проведен анализ электронного энергетического спектра и плотностей электронных состояний. С использованием гармонического приближения и метода конечных смещений рассчитаны фононный спектр и ряд термодинамических характеристик на его основе. Обсуждаются особенности фононной подсистемы β-Ti, которые указывают на его динамическую нестабильность. Расчет вибрационной энтропии и энтальпии, а также решеточной теплоемкости показал удовлетворительное согласие с экспериментом. В целом предложенный подход может быть использован для анализа формирующихся фаз легированного титана.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Metrics

Загрузка метрик ...

Биографии авторов

Сергей Олегович Каспарян , Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск, Россия); Национальный исследовательский Томский государственный университет (Томск, Россия)

инженер Лаборатории физики нелинейных сред; аспирант физико-технического факуль- тета

Александр Викторович Бакулин , Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск, Россия)

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лаборатории физики нелинейных сред

Светлана Евгеньевна Кулькова , Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск, Россия)

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Лаборатории физики нелинейных сред

Литература

Leyens C., Peters M. Titanium and titanium alloys. Fundamentals and applications. Weinheim, 2003.

Whittaker M., Titanium in the gas turbine engine. In E. Benini, Ed. Advances in Gas Turbine Technology. London, 2011. DOI: 10.5772/21524.

Хорев А.И. Комплексное легирование и термомеханическая обработка титановых сплавов. М., 1979.

Balazic M., Kopac J., Jackson M.J., Ahmed A. Review: titanium and titanium alloy applications in medicine // Int. J. Nano Biomat. 2007. Vol. 1. № 1. DOI: 10.1504/IJN-BM.2007.016517.

Ishfaq K., Rehman M., Khan A.R., Wang Y. A review on the performance characteristics, applications, challenges and possible solutions in electron beam melted Ti-based orthopaedic and orthodontic implants // Rapid Prototyping J. 2021. Vol. 28. № 3. DOI: 10.1108/RPJ-03-2021-0060.

Fisher E.S., Renken C.J. Single-crystal elastic moduli and the hcp bcc transformation in Ti, Zr, and Hf // Phys. Rev. 1964. Vol. 135. № 2A. DOI: 10.1103/physrev.135.a482.

Ando T., Nakashima K., Tsuchiyama T., Takaki S. Microstructure and mechanical properties of a high nitrogen titanium alloy // Mater. Sci. Eng. A. 2008. Vol. 486. № 1-2. DOI: 10.1016/j.msea.2007.08.074.

Kim H.Y., Miyazaki S. Martensitic transformation and superelastic properties of Ti-Nb base alloys // Mater. Trans. 2015. Vol. 56. № 5. DOI: 10.2320/matertrans.M2014454.

Dong R., Kou H., Wu L., Yang L., Zhao Y., Hou H. в to ш transformation strain associated with the precipitation of а phase in a metastable в titanium alloy // J. Mater. Sci. 2021. Vol. 56. DOI: 10.1007/s10853-020-05231-z.

Mattheiss L.F. Energy bands for the iron transition series // Phys. Rev. 1964. Vol. 134. № 4A. DOI: 10.1103/Phys-Rev.134.A970.

Hygh E.H., Welch R.M. Electronic structure of titanium // Phys. Rev. 1970. Vol. 1. № 6. DOI: 10.1103/PhysRevB.1.2424.

Jafari M., Hajiyani H. Optical properties of а, в and ш structure of titanium: Ab initio approach // Com-put. Mater. Sci. 2011. Vol. 50. № 9. DOI: 10.1016/j.com-matsci.2011.03.018.

Hu C.E., Zeng Z.Y., Zhang L., Chen X.R., Cai L.C., Alfe D. Theoretical investigation of the high pressure structure, lattice dynamics, phase transition, and thermal equation of state of titanium metal // J. Appl. Phys. 2010. Vol. 107. № 093509. DOI: 10.1063/1.3407560.

Sangiovanni D.G., Klarbring J. Smirnova D., Skrip-nyak N.V., Gambino D., Mrovec M., Simak S.I., Abrikosov I.A. Superioniclike diffusion in an elemental crystal: bcc titanium // Phys. Rev. Lett. 2019. Vol. 123. № 105501. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.123.105501.

Blochl P.E. Projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 50. № 17953. DOI: 10.1103/ PhysRevB.50.17953.

Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 1999. Vol. 59. № 1758. DOI: 10.1103/PhysRevB.59.1758.

Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77. № 3865. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865.

Gandi A.N., Zhu J. Reconstructive phase transformations in body-centered cubic titanium // Phys. Status Solidi. 2020. Vol. 257. № 2000193. DOI: 10.1002/pssb.202000193.

Wood R.M. The lattice constants of high purity alpha titanium // Proc. Phys. Soc. 1962. Vol. 80.

Senkov O.N., Chakoumakos B.C., Jonas J.J., Froes F.H. Effect of temperature and hydrogen concentration on the lattice parameter of beta titanium // Mater. Res. Bull. 2001. Vol. 36. DOI: 10.1016/S0025-5408(01)00604-3.

Togo A., Tanaka I. First principles phonon calculations in materials science // Scr. Mater. 2015. Vol. 108. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2015.07.021.

Lekka Ch.E., Gutierrez-Moreno J.J., Calin M. Electronic origin and structural instabilities of Ti-based alloys suitable for orthopaedic implants // J. Phys. Chem. Solids. 2017. Vol. 102. DOI: 10.1016/j.jpcs.2016.10.013.

Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М., 1978.

Kulkova S.E., Egorushkin V.E., Kalchikhin V.V. The electron structure of NiTi martensite // Solid State Com-mun. 1991. Vol. 77. № 9. DOI: 10.1016/0038-1098(91)90766-O.

Stassis C., Arch D., Harmon B.N. Lattice dynamics of hcp Ti // Phys. Rev. 1979. Vol. 19. № 1. DOI: 10.1103/ PhysRevB.19.181.

Petry W., Heiming A., Trampenau J., Alba M., Herzig C., Schober H.R., Vogl G. Phonon dispersion of the bcc phase of group-IV metals. I. bcc titanium // Phys. Rev. 1991. Vol. 43. № 13. DOI: 10.1103/PhysRevB.43.10933.

Petry W, Heiming A., Trampenau J., Alba M., Vogl G. Strong phonon softening in the bcc phase of titanium // Physica B. 1989. Vol. 156-157. DOI: 10.1016/0921-4526(89)90585-1.

Barin I. Thermochemical data of pure substances, 3rd Ed., Weinheim, 1995.

Опубликован
2022-09-09
Как цитировать
Каспарян С. О., Бакулин А. В., Кулькова С. Е. Электронные, колебательные и тепловые свойства α и β титана // Известия Алтайского государственного университета, 2022, № 4(126). С. 29-35 DOI: 10.14258/izvasu(2022)4-04. URL: http://izvestiya.asu.ru/article/view/%282022%294-04.