1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика металлов и металловедение
  4. T. 124, № 6, 2023

Физика металлов и металловедение, 2023, T. 124, № 6, стр. 500-516

Систематическое описание термодинамических, упругих и механических свойств бинарных ОЦК сплавов на основе Zr из первых принципов

Е. А. Смирнова a, А. В. Пономарева a, Д. А. Конов a, М. П. Белов a, *

a НИТУ МИСИС
119049 Москва, Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Россия

* E-mail: m.belov@misis.ru

Поступила в редакцию 27.03.2023
После доработки 24.04.2023
Принята к публикации 29.04.2023

Аннотация

Эффекты влияния растворения 3d-, 4d- и 5d-металлов, а также Al, In и Sn в ОЦК-решетке Zr были исследованы в рамках теории функционала электронной плотности. С использованием метода EMTO-CPA были рассчитаны параметры решетки, энтальпии смешения, монокристаллические упругие константы С11, С12, С44 и C ', поликристаллические модули упругости E, G, а также характеристики пластичности разупорядоченных ОЦК-сплавов на основе Zr в широком концентрационном диапазоне до 50 ат. %. Методом PAW-SQS проведено исследование эффектов сплавления на указанные свойства ОЦК-сплавов Zr–X, где X – серии 4d-элементов Nb, Mo, Tc, Ru, Rh и 5d элементов Ta, W, Re, Os, Ir для концентрационных срезов 6.25, 25 и 50 ат. %. Проведен анализ концентрационных и периодических зависимостей свойств сплавов, их стабильности.

Ключевые слова: бинарные сплавы Zr, композиционный беспорядок, упругие свойства, стабильность фаз

Список литературы

  1. Banerjee S., Mukhopadhyay P. Phase Transformations: examples from titanium and zirconium alloys // Pergamon Mater. Series. 2007. 813 p.

  2. Добромыслов А.В. Влияние D-металлов на температуру полиморфного и (моно) эвтектоидного превращения в бинарных сплавах титана, циркония и гафния // ФММ. 2020. Т. 121. № 5. С. 516–521.

  3. Белозерова А.Р., Белозеров С.В., Шамардин В.К. К вопросу моделирования эффектов ядерной трансмутации при исследовании физических свойств циркониевых сплавов // ФММ. 2020. Т. 121. № 6. С. 564–575.

  4. Рожнов А.Б., Рогачев С.О., Ханан Алшеих, Просвирнин Д.В. Циклическая прочность сплава Zr–1% Nb после равноканального углового пресования // ФММ. 2022. Т. 123. № 1. С. 109–116.

  5. Егорова Л.Ю., Хлебникова Ю.В., Пилюгин В.П., Реснина П.П. Калориметрия и особенности обратного ω → α-фазового превращения в псевдомонокристаллах Zr и Ti // ФММ. 2022. Т. 123. № 5. С. 515–521.

  6. Рогачев С.О., Андреев В.А., Горшенков М.В., Тен Д.В., Кузнецова А.С., Щербаков А.Б. Улучшение прочностных характеристик сплава Zr–2.5% Nb ротационной ковкой // ФММ. 2022. Т. 123. № 9. С. 1002–1008.

  7. Скворцов А.И., Скворцов А.А. Влияние температуры старения на параметры амплитудной зависимости внутреннего трения твердость и структуру сплава Zr–8.1% Nb // ФММ. 2022. Т. 123. № 11. С. 1175–1181.

  8. Фирсова А.Г, Табачкова Н.Ю., Базлов А.И. Влияние высокотемпературной прокатки и отжига на структуру и свойства аморфного сплава на основе циркония // ФММ. 2021. Т. 122. № 8. С. 845–850.

  9. Suzuki A.K., Campo K.N., Fonseca E.B., Araújo L.C., Gandra F.C.G., Lopes E.S.N. Appraising the potential of Zr-based biomedical alloys to reduce magnetic resonance imaging artifacts // Sci. Reports. 2020. V. 10. P. 2621.

  10. Niinomi M. Recent titanium R&D for biomedical applications in japan // JOM. 1999. V. 51. P. 32–34.

  11. Li Y., Wong C., Xiong J., Hodgson P., Wen C. Cytotoxicity of titanium and titanium alloying elements // J. Dent. Res. 2010. V. 89. P. 493–497.

  12. Suyalatu, Kondo R., Tsutsumi Y., Doi H., Nomura N., Hanawa T. Effects of phase constitution on magnetic susceptibility and mechanical properties of Zr-rich Zr–Mo alloys // Acta Biomater. 2011. V. 7. P. 4259–4266.

  13. Zhou F.Y., Wang B.L., Qiu K.J., Lin W.J., Li L., Wang Y.B., Nie F.L., Zheng Y.F. Microstructure, corrosion behavior and cytotoxicity of Zr–Nb alloys for biomedical application // Mater. Sci. Eng. C. 2012. V. 32. P. 851–857.

  14. Zhou F.Y., Wang B.L., Qiu K.J., Lin J., Li L., Li H., Zheng Y. Microstructure, mechanical property, corrosion behavior, and in vitro biocompatibility of Zr-Mo alloys // J. Biomed. Mater. Res. – Part B Appl. Biomater. 2013. V. 101. P. 237–246.

  15. Guo S., Zhang J., Shang Y., Zhang J., Meng Q., Cheng X., Zhao X. A novel metastable β-type Zr–12Nb–4Sn alloy with low Young’s modulus and low magnetic susceptibility // J. Alloys Compd. 2018. V. 745. P. 234–239.

  16. Guo S., Zhang J., Shang Y., Zhang J., Meng Q., Cheng X., Zhao X. A metastable β-type Zr–4Mo–4Sn alloy with low cost, low Young’s modulus and low magnetic susceptibility for biomedical applications // J. Alloys Compd. 2018. V. 754. P. 232–237.

  17. Hinomi M. Metals for biomedical devices // Woodhead Publishing, 2019.

  18. Kondo R., Nomura N., Suyalatu, Tsutsumi Y., Doi H., Hanawa T. Microstructure and mechanical properties of as cast Zr–Nb alloys // Acta Biomater. 2011. V. 7. P. 4278–4284.

  19. Kondo R., Nomura N., Suyalatu, Tsutsumi Y., Doi H., Hanawa T. Effects of phase constitution on magnetic susceptibility and mechanical properties of Zr-rich Zr–Mo alloys // Acta Biomater. 2011. V. 7. P. 4259–4266.

  20. Kobayashi E., Ando M., Tsutsumi Y., Doi H., Yoneyama T., Kobayashi M., Hanawa T. Inhibition effect of zirconium coating on calcium phosphate precipitation on titanium to avoid assimilation with a bone // Mater. Trans. 2007. V. 48. P. 301–306.

  21. Steinbruck M. High-Temperature oxidation of zirconium alloys in various atmospheres // Encyclopedia of Materials: Metals and Alloys. 2022. P. 453–464.

  22. Yau T.-L., Annamalai V.E. Corrosion of zirconium and its alloys // Reference module in Materials Science and Material Engineering. 2016. 39 p.

  23. Krishnan R., Asundi M.K. Zirconium alloys in nuclear technology // Proceedings of the Indian academy of Sciences Section C: Engineering Sciences. 1981. V. 4. P. 41–56.

  24. Kobayashi E., Matsumoto S., Doi H., Yoneyama T., Hamanaka H. Mechanical properties of the binary titanium-zirconium alloys and their potential for biomedical materials // J. Biomed. Mater. Research. 1995. V. 29. P. 943–950.

  25. Li Y., Cui Y., Zhang F. Xu H. Shape memory behavior in Ti-Zr alloys // Scr. Mater. 2011. V. 64. P. 584–587.

  26. Ijaz M.F, Kim H.Y, Hosoda H. Miyazaki S. Superelastic properties of biomedical (Ti–Zr)–Mo–Sn alloys // Mater. Sci. Eng. 2015. V. 48. P. 11–20.

  27. Hickman B. S. The formation of omega phase in titanium and zirconium alloys: A review // J. Mater. Sci. 1969. V. 4. P. 554–563.

  28. Zong H., He P., Ding X., Ackland G. J. Nucleation mechanism for hcp → bcc phase transformation in shock-compressed Zr // Phys. Rev. B. 2020. V. 101. P. 144 105.

  29. Vitos L., Abrikosov I.A., Johansson B. Anisotropic Lattice Distortions in Random Alloys from First‑Principles Theory // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 156 401.

  30. Vitos L. Computational Quantum Mechanics for Materials Engineers: The EMTO Method and Applications // Springer‑Verlag, London. 2007. 237 p.

  31. Blöchl P.E. Projector augmented‑wave method // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. № 24. P. 17953–17979.

  32. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented‑wave method // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 1758–1775.

  33. Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular dynamics for liquid metals // Phys. Rev. B. 1993. V. 47. P. 558–561.

  34. Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of ab‑initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane‑wave basis set // Comput. Mater. Sci. 1996. V. 6. P. 15–50.

  35. Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total‑energy calculations using a plane‑wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 11169–11186.

  36. Kollár J., Vitos L., Skriver H.L. Electronic Structure and Physical Properties of Solids: The Uses of the LMTO Method // Springer‑Verlag, Berlin. 2000. P. 85–113.

  37. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 3865.

  38. Mouhat F., Coudert F. Necessary and sufficient elastic stability conditions in various crystal systems // PRB. 2014. V. 90. P. 224104.

  39. Zunger A., Wei S.-H., Ferreira L.G., Bernard J.E. Special quasirandom structures // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 65. P. 353.

  40. Skripnyak N.V., Ponomareva A.V., Belov M.P., and Abrikosov I.A. Ab initio calculations of elastic properties of alloys with mechanical instability: Application to BCC Ti–V alloys // Mater. Des. 2018. V. 140. P. 357–365.

  41. Smirnova E.A., Ponomareva A.V., Syzdykova A.B., Belov M.P. Ab initio systematic description of thermodynamic and mechanical properties of binary bcc Ti‑based alloys // Mater. Today Comm. 2022. V. 31. P. 103 583.

  42. Pugh S.F. XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals // Lond. Edinb. Dublin Philos. Mag. J. Sci. 1954. V. 45. P. 823–843.

  43. Францевич И.Н., Воронов Ф.Ф., Бакута С.А. Упругие постоянные и модули упругости металлов и неметаллов. Киев: Наукова думка, 1982. 286 с.

  44. Walker E., Peter M. Elastic constants of the bcc phase in niobium-zirconium alloys between 4.2 and 300 K // J. Appl. Phys. 1977. V. 48. P. 2820–2826.

  45. Vander Voort G.F. (Ed.). ASM Handbook // Metallography and Microstructures. 2004. Chap. 9.

  46. Wang Y., Curtarolo S., Jiang C., Arroyave R., Wang T., Ceder G., Chen L.Q., Liu Z.K. Ab initio lattice stability in comparison with CALPHAD lattice stability // Calphad. 2004. V. 28. P. 79–90.

  47. Skripnyak N.V., Ponomareva A.V., Belov M.P., Syutkin E.A., Khvan A.V., Dinsdale A.T., Abrikosov I.A. Mixing enthalpies of alloys with dynamical instability: bcc Ti–V system // Acta Mater. 2020. V. 188. P. 145.

  48. Skripnyak N.V., Tasnádi F., Simak S.I., Ponomareva A.V., Löfstrand J., Berastegui P., Jansson U., Abrikosov I.A. Achieving low elastic moduli of bcc Ti–V alloys in vicinity of mechanical instability // AIP Advances. 2020. V. 10. P. 105322.

  49. Kolli R., Devaraj A. A review of metastable beta titanium alloys // Metals. 2018. V. 8. P. 506.

  50. Körling M., Häglund J. Cohesive and electronic properties of transition metals: The generalized gradient approximation // Phys. Rev. B. 1992. V. 45. P. 13 293–13 297.

  51. Еременко В.Р., Семенова Е.Л., Штепа Т.Д. Фазовая диаграмма системы Zr–Ir // Известия академии наук СССР: Металлы. 1980. № 5. С. 237–241.

  52. Benites G.M., Fernandez Guillermet A., Cuello G.J., Campo Javier. Structural properties of metastable phases in Zr–Nb alloys // J. Alloys Compd. 2000. V. 299. P. 183–188.

  53. Pearson W.B. A Handbook of Lattice Spacings and Structures of Metals and Alloys. Pergamon-Oxford, 1958. 1054 p.

  54. Rapp Ö. Superconductivity and lattice parameters in the zirconium‑molybdenum, zirconium‑tungsten, hafnium‑molybdenum and hafnium‑tungsten alloy systems // J. Less‑Common Met. 1970. V. 21. P. 27–44.

  55. Murray J.L. The Ti−Zr (Titanium–Zirconium) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1981. V. 2. P. 197–201.

  56. Bao X., Li X., Ding J., Liu X., Meng M., Zhang T. Exploring the limits of mechanical properties of Ti‑Zr binary alloys // Mater. Lett. 2022. V. 318. P. 132091.

  57. Zhang N.‑N., Zhang Y.-J., Yang Y., Zhang P., Ge C.-C. First‑principles study of structural, mechanical, and electronic properties of W alloying with Zr // Chin. Physics B. 2019. V. 28. P. 046301.

  58. Diyou J., Li X., Xuemei H., Tao W., Jianfeng H. Effect of Zr additions on crystal structures and mechanical properties of binary W–Zr alloys: A first‑principles study // J. Mater. Res. 2019. V. 34. P. 290–300.

  59. Ikehata H., Nagasako N., Furuta T., Fukumoto A., Miwa K., Saito T. First‑principles calculations for development of low elastic modulus Ti alloys // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. P. 174113.

  60. Al‑Zoubi N., Schonecker S., Ii X., Li W., Johansson B.S., Vitos L. Elastic properties of 4d transition metal alloys: Values and trends // Comput. Mater. Sci. 2019. V. 159. P. 273–280.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика металлов и металловедение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал