Ti-6Al-4V to over 1.2 TPa: Shock Hugoniot experiments, ab initio calculations, and a broad-range multiphase equation of state

材料科学 休克(循环) 状态方程 热力学 大气温度范围 分子动力学 钛合金 合金 物理 化学 复合材料 计算化学 医学 内科学
作者
Pat Kalita,Kyle Cochrane,Marcus D. Knudson,Tommy Ao,Carrie Blada,J. L. Jackson,Jeffry Gluth,Heath L. Hanshaw,Ed Scoglietti,Scott Crockett
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (9) 被引量:6
标识
DOI:10.1103/physrevb.107.094101
摘要

Titanium alloys are used in a large array of applications. In this work we focus our attention on the most used alloy, Ti-6Al-4V (Ti64), which has excellent mechanical and biocompatibility properties with applications in aerospace, defense, biomedical, and other fields. Here we present high-fidelity experimental shock compression data measured on Sandia's Z machine. We extend the principal shock Hugoniot for Ti64 to more than threefold compression, up to over 1.2 TPa. We use the data to validate our ab initio molecular dynamics simulations and to develop a highly reliable, multiphase equation of state (EOS) for Ti64, spanning a broad range of temperature and pressures. The first-principles simulations show very good agreement with Z data and with previous three-stage gas gun data from Sandia's STAR facility. The resulting principal Hugoniot and the broad-range EOS and phase diagram up to 10 TPa and ${10}^{5}$ K are suitable for use in shock experiments and in hydrodynamic simulations. The high-precision experimental results and high-fidelity simulations demonstrate that the Hugoniot of the Ti64 alloy is stiffer than that of pure Ti and reveal that Ti64 melts on the Hugoniot at a significantly lower pressure and temperature than previously modeled.
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