钛合金是一类重要的结构材料,广泛应用于工业领域。具有体心立方晶体结构的β型钛合金是新一代钛合金,具有多种独特而奇异的力学性能。典型的β钛合金同时具有高强度和低弹性模量,并且具有形状记忆功能和超弹性,在生物医药领域有巨大的应用潜力。在一系列含氧β钛合金的开发和应用中,人们发现氧在β钛合金中扮演重要角色,可以提高合金的强度和超弹性,还可以降低弹性模量。研究发现,氧对β钛合金性能的影响与合金中马氏体相变密不可分。在本研究中,我们选取了一种典型的β钛合金——β-Ti3Nb合金,针对其中的氧的分布和局部晶体结构以及氧对于合金马氏体相变的影响,开展了基于密度泛函理论的量子力学第一原理计算研究。我们获得了以下主要认识：(1)处于间隙位置氧在β-Ti3Nb中有相互排斥的倾向。我们计算了O.8%、1.5%、6%、11%、50%(TiO)和67%(TiO2)不同摩尔浓度下β-Ti3Nb合金中的氧的溶解热,发现总的趋势是随着氧浓度的增大,溶解热会逐渐升高。但是,在氧浓度为11%时,其溶解热比浓度为6%时还要略低,从而形成了一个溶解热随着浓度变化局域极小点。我们认为这个局域极小对应着一个亚稳的Ti-Nb-O结构。(2)在浓度为11%时,氧使β-Ti3Nb中相邻{110}晶面发生了相对错动,向α"的方向转变。但是,这β-α"相变并不完全,所以我们将发现的相变结构定义为近αc"结构。与之相反,在浓度较低的情况下,氧只能造成局域的晶格畸变,不足以诱导近α"结构的形成。(3)氧可以提高β相的相对稳定性,同时提高β→ω、β→α"相变的势垒。有趣的是,我们发现合金中氧可以分成不同种类,在相变中起着截然不同的作用。在β→ω相变过程中,氧分成坍塌氧和非坍塌氧,前者可以明显提高β→ω相变势垒,而后者对于β→ω相变势垒影响很小。在β→α"相变过程中,可以将氧分成“宽松”氧、“不变”氧和“受压”氧,“受压”氧可以提高β→α"相变势垒,而“宽松”氧和“不变”氧对于β→α"相变势垒影响则可忽略。