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自从20世纪60年代以来,随着各国发射的航天器日益增多,太空的环境变得日趋复杂,研发适用于太空环境的高性能结构材料成为了各国未来航天器发展的必然选择,而有着低密度、高强度、高延展性、高抗辐照性能和高抗氧化性能的47Zr45Ti5A13V合金有望替代高强度钢成为航天器中关键活动件和结构材料。本文以Zr-Ti-Al-V合金为研究对象,以Zr-Ti-Al-V合金中合金元素质量分数、相结构与弹性性质之间的关系为研究核心,主要采用第一性原理计算研究方法深入研究了Zr-Ti-Al-V合金中元素组分和相结构对其相稳定性和弹性性质的影响,以期弄清Zr-Ti-Al-V合金中元素组分、相结构、相稳定性和弹性性质之间的关系,为优化Zr-Ti-Al-V合金的成分设计、加工以及热处理工艺提供科学依据。研究内容及结果如下:(1)通过第一性原理计算了不同Ti原子分数以及不同结构Zr-Ti合金系统的总能量、晶胞结构、弹性性质和电子结构,并以此分析了Zr-Ti合金中Ti元素质量分数和合金相结构对其相稳定性和弹性性质的影响。研究表明:在Zr-Ti合金中,α相和β相均具有稳定性,但由于相结构不同,其α相的稳定性高于β相的稳定性,并且其α相的稳定性与Zr-Ti合金中Ti质量分数呈正相关关系,β相的稳定性则不遵循此规律;由于相结构的差异,Zr-Ti合金α相在强度和硬度上普遍高于Zr-Ti合金β相,在延展性上低于Zr-Ti合金β相;在Zr-Ti合金的α相和β相中,Ti的质量分数在34.5%~87.5%时有着较好的强度、硬度和刚度,而Ti的质量分数在34.5%~55.2%时延展性较高。由于47Zr45Ti5Al3V合金中Ti的质量分数为45%,结合研究结果可知,47Zr45Ti5Al3V合金中的Ti成分设计能够保证合金具有较好的强度和延展性,适当提高47Zr45Ti5Al3V合金中Ti的质量分数可以进一步提高47Zr45Ti5Al3V合金的强度和延展性。(2)通过第一性原理计算了不同合金元素(Al、V)原子分数和不同结构Zr-Ti-Al合金系统和Zr-Ti-V合金系统的总能量、晶胞结构和弹性性质,并以此分析了Zr、Ti质量分数比例一定的Zr-Ti-Al合金和Zr-Ti-V合金的相结构与弹性性质之间的关系。研究表明:Al是Zr-Ti合金α相稳定元素,V是Zr-Ti合金β相稳定元素;Zr-Ti-Al合金中Al的质量分数在4~6.8%时有着相对较好的强度、硬度和刚度,而Al的质量分数越大Zr-Ti-Al合金的延展性越差;Zr-Ti-V合金中V的质量分数在2.4%时有着相对较好的强度、硬度和刚度,而V的质量分数在0~12%时,V的质量分数越大Zr-Ti-V合金的延展性越好。由于47Zr45Ti5Al3V合金中Al的质量分数为5%,V的质量分数为3%,结合研究结果可知,47Zr45Ti5Al3V合金中的Al和V的成分设计不仅能够增强α相和β相稳定性并且均能保证47Zr45Ti5Al3V合金具有较好的强度和延展性,调控47Zr45Ti5Al3V合金中Al、V的质量分数可以进一步优化47Zr45Ti5Al3V合金的力学性能。(3)通过第一性原理研究了47Zr45Ti5Al3V合金的相结构对其相稳定性和弹性性质的影响。研究表明:47Zr45Ti5Al3V合金的α相比其β相更加稳定,并且47Zr45Ti5Al3V合金中Al元素与V元素的引入在整体上不仅提升了α相和β相的相稳定性也提升了其强度与延展性;47Zr45Ti5Al3V合金的α相和β相均具有良好的延展性,但是由于相结构的差异,47Zr45Ti5Al3V合金α相在强度和硬度上要高于47Zr45Ti5Al3V合金β相,在延展性上低于Zr-Ti合金β相。整体上来看,47Zr45Ti5Al3V合金的成分设计能够保证47Zr45Ti5Al3V合金具有较好的强度和延展性,利用热处理手段调控47Zr45Ti5Al3V合金中的相组成可以进一步优化47Zr45Ti5Al3V合金的力学性能。(4)通过对经过不同温度的固溶处理后的47Zr45Ti5Al3V合金样品进行拉伸试验和XRD图谱分析,研究了α相与β相的含量对47Zr45Ti5Al3V合金弹性性质的影响。研究表明:当47Zr45Ti5Al3V合金中α相含量为68.3%,β相含量为31.7%时抗拉强度达到1176MPa;当47Zr45Ti5Al3V合金中α相含量为8.8%,β相含量为91.2%时抗拉强度达到1256MPa,伸长率为10.9%左右;当47Zr45Ti5Al3V合金全部为β相时抗拉强度达到1067MPa,伸长率为11.2%左右。47Zr45Ti5Al3V合金中β相的增加会提升47Zr45Ti5Al3V合金的延展性,而强度则不遵循此规律,可以通过调控热处理工艺以改变47Zr45Ti5Al3V合金中的相组成来使47Zr45Ti5Al3V合金同时具有高强度和高延展性,这也印证了47Zr45Ti5Al3V合金相稳定性和弹性性质的第一性原理研究结论。