First-Principles Study of the Mechanical Properties of (Ti,V)C  Solid Solutions

Editorial Board PCSS Journal; П. М. Присяжнюк; І. П. Яремій; А. Г. Харлов; М. П. Макогін; І. М. Уманців; В. В. Савчин; О. І. Місюк

doi:10.15330/pcss.26.2.377-385

Автор(и)

П. М. Присяжнюк Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, Україна
І. П. Яремій Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна
А. Г. Харлов Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, Україна
М. П. Макогін Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна
І. М. Уманців Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна
В. В. Савчин Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна
О. І. Місюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.2.377-385

Ключові слова:

карбід титану-ванадію, теорія функціоналу густини, розширення кластерів, прогнозування твердості, електронна структура

Анотація

Потрійні карбіди перехідних металів, такі як Ti_1-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 Ti_1-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 Ti_0.67V_0.33C, 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 Ti_0.67V_0.33C як найбільш перспективний склад для максимізації твердості в цій системі та надає теоретичні орієнтири для розробки нових матеріалів на основі карбідів.

Посилання

T. Qin, Z. Wang, Y. Wang, F. Besenbacher, M. Otyepka, and M. Dong, Recent Progress in Emerging Two-Dimensional Transition Metal Carbides References, Nano-Micro Lett. 13, 143 (2021); https://doi.org/10.1007/s40820-021-00710-7.

P. Prysyazhnyuk, O. Ivanov, O. Matvienkiv, S. Marynenko, O. Korol, and I. Koval, Impact and abrasion wear resistance of the hardfacings based on high-manganese steel reinforced with multicomponent carbides of Ti-Nb-Mo-V-C system, Procedia Struct. Integr. 36, 130 (2022); https://doi.org/10.1016/j.prostr.2022.01.014.

S. T. A. Shihab, P. Prysyazhnyuk, R. Andrusyshyn, L. Lutsak, O. Ivanov, and I. Tsap, Forming the structure and the properties of electric arc coatings based on high manganese steel alloyed with titanium and niobium carbides, East.-Eur. J. Enterp. Technol. 1, 38 (2020); https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.194164.

M. Mhadhbi, Titanium Carbide: Synthesis, Properties and Applications, Brilliant Eng. 2, 1 (2020); https://doi.org/10.36937/ben.2021.002.001.

L. Trinh et al., J. Am., Selective laser sintering and spark plasma sintering of (Zr,Nb,Ta,Ti,W)C compositionally complex carbide ceramics, Ceram. Soc. 107, 7175 (2024); https://doi.org/10.1111/jace.20019.

W. Wei, X. Ying, W. Xu, H. Zhiquan, and L. Shengxin, Effect of V content on microstructures and properties of TiC cermet fusion welding interface, China Weld. 33, 40 (2024); https://doi.org/10.12073/j.cw.20231212019.

M. Chen et al., Effect of VC addition on the microstructure and properties of TiC steel-bonded carbides fabricated by two-step sintering, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 108, 105948 (2022); https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2022.105948.

R. Picha, A. Kroupa, and P. Broz, Phase Diagram of the Ti-V-C System at 1000 and 1200° C, Arch. Metall. Mater. No 2, 139 (2001).

M. Chen, X. Zhang, X. Xiao, and H. Zhao, Effect of VC additions on the microstructure and mechanical properties of TiC-based cermets, Mater. Res. Express 7, 106527 (2020); https://doi.org/10.1088/2053-1591/abc2a1.

Q. Wang, Q. Li, H. Ding, and F. Tian, Elastic properties of solid-solution refractory metal carbides with vacancy from virtual crystal approximation and supercell method, Comput. Condens. Matter 32, e00721 (2022); https://doi.org/10.1016/j.cocom.2022.e00721.

P. Prysyazhnyuk et al., Analysis of the effects of alloying with Si and Cr on the properties of manganese austenite based on AB INITIO modelling, East.-Eur. J. Enterp. Technol. 6, 28 (2020); https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.217281.

J. Kim, First-principles investigation of the elastic properties and phase stability of (Ti1-xNix)C1-y ternary metastable carbides, J. Alloys Compd. 853, 157349 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157349.

A. van de Walle, M. Asta, and G. Ceder, The alloy theoretic automated toolkit: A user guide, Calphad 26, 539 (2002); https://doi.org/10.1016/s0364-5916(02)80006-2.

J. Hafner and G. Kresse, The Vienna AB-Initio Simulation Program VASP: An Efficient and Versatile Tool for Studying the Structural, Dynamic, and Electronic Properties of Materials, in Properties of Complex Inorganic Solids (Springer US, 1997) pp. 69–82; https://doi.org/10.1007/978-1-4615-5943-6_10.

J. W. Furness, A. D. Kaplan, J. Ning, J. P. Perdew, and J. Sun, Accurate and Numerically Efficient r2SCAN Meta-Generalized Gradient Approximation, J. Phys. Chem. Lett. 11, 8208 (2020); https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c02405.

G. Kresse and D. Joubert, From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method, Phys. Rev. B 59, 1758 (1999); https://doi.org/10.1103/physrevb.59.1758.

H. J. Monkhorst and J. D. Pack, Special points for Brillouin-zone integrations, Phys. Rev. B 13, 5188 (1976); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188.

V. Wang, N. Xu, J.-C. Liu, G. Tang, and W.-T. Geng, VASPKIT: A user-friendly interface facilitating high-throughput computing and analysis using VASP code, Comput. Phys. Commun. 267, 108033 (2021); https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108033.

R. Hill, The Elastic Behaviour of a Crystalline Aggregate, Proc. Phys. Soc. A 65, 349 (1952); https://doi.org/10.1088/0370-1298/65/5/307.

D. M. Teter, Computational alchemy: The search for new superhard materials, MRS Bull. 23, 22 (1998); https://doi.org/10.1557/S0883769400031420.

X.-Q. Chen, H. Niu, D. Li, and Y. Li, Modeling hardness of polycrystalline materials and bulk metallic glasses, Intermetallics 19, 1275 (2011); https://doi.org/10.1016/j.intermet.2011.03.026.

Y. Tian, B. Xu, and Z. Zhao, Microscopic theory of hardness and design of novel superhard crystals, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 33, 93 (2012); https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.02.021.

N. Miao, B. Sa, J. Zhou, and Z. Sun, Theoretical investigation on the transition-metal borides with Ta3B4-type structure: A class of hard and refractory materials, Comput. Mater. Sci. 50, 1559 (2011); https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2010.12.015.

E. Mazhnik and A. R. Oganov, A model of hardness and fracture toughness of solids, J. Appl. Phys. 126, 125109 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5113622.

P. Prysyazhnyuk and D. Di Tommaso, The thermodynamic and mechanical properties of Earth-abundant metal ternary boride Mo2(Fe,Mn)B2 solid solutions for impact- and wear-resistant alloys, Mater. Adv. 4, 3822 (2023); https://doi.org/10.1039/D3MA00313B.

G. te Velde and E. J. Baerends, Precise density-functional method for periodic structures, Phys. Rev. B 44, 7888 (1991); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.7888.

J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Generalized Gradient Approximation Made Simple, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865.

X. Zhang, J.D. Comins, A.G. Every and P.R. Stoddart, Surface Brillouin scattering studies on vanadium carbide, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 16, 303 (1998); https://doi.org/10.1016/S0263-4368(98)00046-8.

S. F. Pugh, XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals, Philos. Mag. 45, 823 (1954); https://doi.org/10.1080/14786440808520496.