Упругие и тепловые свойства ряда тройных сплавов на основе β-Ti
https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-2-225-234
Аннотация
Методом проекционных присоединенных волн в рамках теории функционала плотности проведено изучение упругих модулей и ряда тепловых свойств четырех серий тройных сплавов на основе β-Ti состава XY3Ti11, где Х и Y – элементы IVB–VIB, IIIA и IVA групп. Показано, что в данных сериях сплавов рассчитанные модули Юнга меньше, чем в чистом техническом α-Ti титане или в сплаве Ti-6Al-4V. С увеличением концентрации s,p-элементов и числа электронов на d-оболочке Х-металла модуль Юнга демонстрирует тенденцию к понижению. Обсуждается изменение температуры Дебая, акустического параметра Грюнайзена, а также теплопроводности в рядах титановых сплавах. Показано, что высокая теплопроводность коррелирует с высокими значениями температуры Дебая, которая, в свою очередь, увеличивается с ростом значений модуля Юнга.
Об авторах
С. О. Каспарян
Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук; Национальный исследовательский Томский государственный университет
Россия
Россия
Сергей Олегович Каспарян
пр. Академический, 2/4, Томск, 634055
пр. Ленина, 36, Томск, 634050
А. Е. Ордабаев
Национальный исследовательский Томский государственный университет
Россия
Россия
Адиль Еркенович Ордабаев
пр. Ленина, 36, Томск, 634050
А. В. Бакулин
Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Россия
Россия
Александр Викторович Бакулин
пр. Академический, 2/4, Томск, 634055
С. Е. Кулькова
Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Россия
Россия
Кулькова Светлана Евгеньевна
пр. Академический, 2/4, Томск, 634055
Список литературы
1. Gunther V.E., Kotenko V.V., Mirgazizov M.Z., Polenichkin V.K., Vityugov I.A., Itin V.I., Ziganshin R.V., Temerhanov F.T. Shape memory alloys in medicine. TSU Publ., Tomsk, 1986, 208 p. (in Russian)
2. Long M., Rack H.J. Titanium alloys in total joint replacement – a materials science perspective. Biomater., 1998, 19, P. 1622–1639.
3. Niinomi M. Recent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare goods. Sci. Technol. Adv. Mater., 2003, 4, P. 445–454.
4. Niinomi M. Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications. J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 2008, 1, P. 30–42.
5. Zhang L.C., Chen L.Y. A review on biomedical titanium alloys: recent progress and prospect. Adv. Eng. Mater., 2019, 21, 1801215.
6. Mohammed M.T., Khan Z.A., Siddiquee A.N. Beta titanium alloys: the lowest elastic modulus for biomedical applications: a review. Int. J. Mater. Metall. Eng., 2014, 8 (8), P. 822–827.
7. Yu Z. Titanium alloys for biomedical development and applications. Design, microstructure, properties, and application. Elsevier, Amsterdam, 2022, 232 p.
8. Hao C.P., Wang Q., Ma R.T., Wang Y.M., Qiang J.B., Dong C. Cluster-plus-glue-atom model in bcc solid solution alloys. Acta Phys. Sin., 2011, 60 (11), 116101.
9. Yan X., Cao W., Li H. Novel biomedical Ti-based alloys with low Young’s modulus: a first-principles study. J. Mater. Eng. Perform., 2024, 33, P. 6835–6842.
10. Kasparyan S.O., Bakulin A.V., Kulkova S.E. Mechanical properties of ternary XY3Ti11 alloys. Izvestiya vuzov. Fizika, 2024, 67, P. 77–85. (in Russian)
11. Bai H., Duan Y., Qi H., Peng M., Li M., Zheng S. Anisotropic elastic and thermal properties and damage tolerance of CrH: A first-principles calculation. Vacuum, 2024, 222, 112962.
12. Sun Y., Yang A., Duan Y., Shen L., Peng M., Qi H. Electronic, elastic, and thermal properties, fracture toughness, and damage tolerance of TM5Si3B (TM = V and Nb) MAB phases. Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 2022, 103, 105781.
13. Blochl P.E. Projector augmented-wave method. ¨ Phys. Rev. B, 1994, 50 (24), P. 17953–17979.
14. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method. Phys. Rev. B, 1999, 59 (3), P. 1758–1775.
15. Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal–amorphous-semiconductor transition in germanium. Phys. Rev. B, 1994, 49 (20), P. 14251–14269.
16. Kresse G., Furthmuller J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. ¨ Comput. Mater. Sci., 1996, 6, P. 15–50.
17. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett., 1996, 77 (18), P. 3865–3868.
18. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations. Phys. Rev. B, 1976, 13 (12), P. 5188–5192.
19. Born M., Huang K. Dynamic theory of crystal lattices. Oxford University Press, London, 1954, 420 p.
20. Hill R. The elastic behaviour of a crystalline aggregate. Proc. Phys. Soc. London, Sect. A, 1952, 65, P. 349–354.
21. Voigt W. Bestimmung der Elastizitatskonstanten von Eisenglanz. ¨ Ann. Phys., 1907, 327 (1), P. 129–140.
22. Reuss A. Berechnung der Fließgrenze von Mischkristallen auf Grund der Plastizitatsbedingung f ¨ ur Einkristalle. ¨ Z. Angew. Math. Mech., 1929, 9 (1), P. 49–58.
23. Ledbetter H., Ogi H., Kai S., Kim S., Hirao M. Elastic constants of body-centered-cubic titanium monocrystals. J. Appl. Phys., 2004, 95 (9), P. 4642–4644.
24. Zhang Z., Li B., Chen L., Qin F., Hou Y. Measurement of elastic constants of additive manufactured Ti-6Al-4V by non-contact multi-mode laser ultrasonic system. J. Mater. Eng. Perform., 2022, 31, P. 7328–7336.
25. Pugh S.F. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1954, 45 (367), P. 823–843.
26. Tian Y., Xu B., Zhao Z. Microscopic theory of hardness and design of novel superhard crystals. Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 2012, 33, P. 93–106.
27. Bakulin A.V., Kulkova S.E. Effect of impurities on the formation energy of point defects in the γ-TiAl alloy. J. Exp. Theor. Phys., 2018, 127 (6), P. 1046–1058.
28. Niu H., Niu S., Oganov A.R. Simple and accurate model of fracture toughness of solids. J. Appl. Phys., 2019, 125, 065105.
29. Gong X., Sun C.C. A new tablet brittleness index. Eur. J. Pharm. Biopharm., 2015, 93, P. 260–266.
30. Munro R.G., Freiman S.W., Baker T.L. Fracture toughness data for brittle materials. NIST Publ., Gaithersburg, 1998, 153 p.
31. Moruzzi V.L., Janak J.F., Schwarz K. Calculated thermal properties of metals. Phys. Rev. B, 1988, 37 (2), P. 790–799.
32. Liu X., Fu J. First principle study on electronic structure, elastic properties and Debye temperature of pure and doped KCaF3. Vacuum, 2020, 178, 109504.
33. Music D., Houben A., Dronskowski R., Schneider J.M. Ab initio study of ductility in M2AlC (M = Ti, V, Cr). Phys. Rev. B, 2007, 75, 174102.
34. Anderson O.L. A simplified method for calculating the Debye temperature from elastic constants. J. Phys. Chem. Solids, 1963, 24, P. 909–917.
35. Anderson O.L. The high-temperature acoustic Gruneisen parameter in the earth’s interior. ¨ Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1979, 18, P. 221–231.
36. Vitos L. Computational quantum mechanics for materials engineers: the EMTO method and applications. Springer, London, 2007, 236 p.
37. Kerley G.I. Equations of state for titanium and Ti6A14V alloy. Sandia National Lab., Oak Ridge, 2003, 35 p.
38. Leont’ev K.L. On the relationship between elastic and thermal properties of substances. Sov. Phys. Acoust., 1981, 27, P. 309–316.
39. Belomestnykh V.N. The acoustical Gruneisen constants of solids. ¨ Tech. Phys. Lett., 2004, 30 (2), P. 91–93.
40. Kittel C. Introduction to solid state physics, 8th ed. John Wiley & Sons, Hoboken, 2005, 681 p.
41. Shinde S.L., Goela J.S. ´ High thermal conductivity materials. Springer, New York, 2006, 271 p.
42. Hoel H., Nyberg H. An extension of Clarke’s model with stochastic amplitude flip processes. IEEE Trans. Commun., 2014, 62 (7), P. 2378–2389.
43. Clarke D.R., Levi C.G. Materials design for the next generation thermal barrier coatings. Annu. Rev. Mater. Res., 2003, 33, P. 383–417.
44. Cahill D.G., Watson S.K., Pohl R.O. Lower limit to the thermal conductivity of disordered crystals. Phys. Rev. B, 1992, 46 (10), P. 6131–6140.
45. Duan Y.H., Sun Y., Lu L. Thermodynamic properties and thermal conductivities of TiAl3-type intermetallics in Al–Pt–Ti system. Comput. Mater. Sci., 2013, 68, P. 229–233.
Рецензия
Для цитирования:
Каспарян С.О., Ордабаев А.Е., Бакулин А.В., Кулькова С.Е. Упругие и тепловые свойства ряда тройных сплавов на основе β-Ti. Наносистемы: физика, химия, математика. 2025;16(2):225-234. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-2-225-234
For citation:
Kasparyan S.O., Ordabaev A.E., Bakulin A.V., Kulkova S.E. Elastic and thermal properties of some ternary β-Ti based alloys. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2025;16(2):225-234. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-2-225-234
Просмотров:
13
Послать статью по эл. почте 