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Npj Comput. Mater.: 鈦合金的力學(xué)秘密—雙相結(jié)構(gòu)如何成就卓越性能？

2024-05-31 14:44:25 作者：知社學(xué)術(shù)圈來(lái)源：知社學(xué)術(shù)圈分享至：

鈦合金以其出色的機(jī)械性能、低密度和良好的生物兼容性，在過(guò)去數(shù)十年里備受青睞，廣泛應(yīng)用于航空航天等行業(yè)。這類合金的微觀結(jié)構(gòu)，特別是α相（六方密堆積結(jié)構(gòu)）與β相（體心立方結(jié)構(gòu)）的混合，對(duì)其力學(xué)表現(xiàn)具有決定性的影響。α/β鈦合金能夠在力學(xué)強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性與成形性之間達(dá)成優(yōu)異的均衡，這也正是其被廣范使用的根本原因。鈦合金的雙相結(jié)構(gòu)賦予了材料工程師在微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的多樣自由度，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)力學(xué)性能的精準(zhǔn)調(diào)控。

Fig. 1 Temperature dependences of the lattice constants and free energies of bulk α and β phases.

界面能量作為關(guān)鍵參數(shù)，直接關(guān)聯(lián)到合金界面的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，決定了界面的形態(tài)和演化過(guò)程。然而，α/β鈦合金界面能的測(cè)定難度大，由于β相在0K不穩(wěn)定，導(dǎo)致直接使用密度泛函理論（DFT）進(jìn)行精確計(jì)算存在難題。目前的實(shí)驗(yàn)方法，如基于梯階-臺(tái)階模型與線性彈性理論的估算，也難以直接測(cè)定界面能。幸運(yùn)的是，最新技術(shù)的發(fā)展為此難題提供了解決方案：一種是熱力學(xué)積分結(jié)合絕熱切換自由能計(jì)算法，準(zhǔn)確且高效；另一種則是利用由DFT數(shù)據(jù)訓(xùn)練而成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)能，如深度勢(shì)能（DP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

Fig. 2 Schematic of the model for simulating coherent α/β interfaces.

由香港城市大學(xué)材料科學(xué)與工程系的Jian Han教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，采用分子動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)積分以及經(jīng)過(guò)密度泛函理論（DFT）訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)勢(shì)模型，深入探討了鈦材料中α/β界面（即和)）的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)特性。研究首先集中于分析鈦的相干α/β界面的熱力學(xué)性質(zhì)，并考察其如何受到應(yīng)變和溫度的影響。隨后，團(tuán)隊(duì)對(duì)半相干界面的結(jié)構(gòu)和屬性進(jìn)行了細(xì)致審查，并將這些發(fā)現(xiàn)用于理解β基體中α析出相的成核及生長(zhǎng)過(guò)程，也就是從高溫狀態(tài)開(kāi)始的冷卻過(guò)程。

Fig. 3 Semicoherent interface structure.

該論文的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：（1）成功預(yù)測(cè)了鈦中最關(guān)鍵界面（相干和半相干）的自由能，這是首次以接近DFT精確度進(jìn)行此類計(jì)算（值得注意的是，β相在0K下完全不穩(wěn)定，因而在沒(méi)有人為約束的情況下DFT無(wú)法直接計(jì)算）；（2）模擬結(jié)果展示了半相干界面的平衡結(jié)構(gòu)和本質(zhì)的缺陷結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)解釋了習(xí)慣面的普遍存在；（3）揭示了界面遷移的作用機(jī)理，并指出這一機(jī)理在不同方向（比如升溫與降溫）會(huì)導(dǎo)致界面遷移速率的不同；（4）這些精確的熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)被用于可靠預(yù)測(cè)α-β相變冷卻過(guò)程中析出相的形成。

Fig. 4 Disconnection lines in a semicoherent interface.

此項(xiàng)研究不僅為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)界面屬性和運(yùn)動(dòng)提供了指導(dǎo)，還為理解和預(yù)測(cè)包括在低溫下不穩(wěn)定的相和相干性喪失情況下的析出行為提供了實(shí)用的參考。該文近期發(fā)表于npj Computational Materials 9：216 (2023)，英文標(biāo)題與摘要如下，點(diǎn)擊左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。

Coherent and semicoherent α/β interfaces in titanium: structure, thermodynamics, migration

Siqi Wang, Tongqi Wen, Jian Han & David J. Srolovitz

The α/β interface is central to the microstructure and mechanical properties of titanium alloys. We investigate the structure, thermodynamics and migration of the coherent and semicoherent Ti α/β interfaces as a function of temperature and misfit strain via molecular dynamics (MD) simulations, thermodynamic integration and an accurate, DFT-trained Deep Potential. The structure of an equilibrium semicoherent interface consists of an array of steps, an array of misfit dislocations, and coherent terraces. Analysis determines the dislocation and step (disconnection) array structure and habit plane. The MD simulations show the detailed interface morphology dictated by intersecting disconnection arrays. The steps are shown to facilitate α/β interface migration, while the misfit dislocations lead to interface drag; the drag mechanism is different depending on the direction of interface migration. These results are used to predict the nature of α phase nucleation on cooling through the α-β phase transition.