Першопринципний аналіз механічних властивостей твердих розчинів (Ti,V)C

Abstract

Потрійні карбіди перехідних металів, такі як Ti1-xVₓC, мають потенціал для покращення механічних властивостей, але дослідження широкого композиційного простору є складним завданням. У цьому дослідженні застосовуються першопринципні розрахунки в поєднанні з методом кластерного розширення (CE) для систематичного вивчення фазової стабільності, пружних властивостей, твердості та електронної структури системи Ti1-xVₓC. Розрахунки за теорією функціоналу густини (DFT) з використанням пакета VASP лягли в основу моделі (CE), побудованої за допомогою інструментарію програми ATAT, яка передбачила кілька стабільних проміжних конфігурацій при 0 К відносно TiC та VC. Пружні сталі, розраховані для цих стабільних фаз, продемонстрували немонотонні тенденції, при цьому модулі зсуву (G) та Юнга (E) досягали пікових значень поблизу x = 0.5. Було встановлено, що твердість за Віккерсом (Hv), оцінена шляхом усереднення п'яти емпіричних моделей на основі розрахованих модулів всебічного стиску (B) та зсуву (G), досягає максимуму приблизно 32.6 ГПа при складі Ti0.67V0.33C, перевищуючи розрахункові значення для бінарних кінцевих сполук. Аналіз коефіцієнта П'ю (B/G) вказав на крихкість для усіх складів, причому максимальна крихкість корелювала з областю максимальної жорсткості. Розрахунки електронної структури (густина електронних станів, функція локалізації електронів, деформаційна густина) з використанням коду BAND підтвердили сильну ковалентну p-d гібридизацію як причину високої жорсткості та виявили залежні від складу зміни, пов'язані зі зміщенням рівня Фермі. Ця робота визначає Ti0.67V0.33C як найбільш перспективний склад для максимізації твердості в цій системі та надає теоретичні орієнтири для розробки нових матеріалів на основі карбідів.