面心立方固溶体的团簇模型及工程合金的成分解析

发布时间：2018-12-06 22:06

【摘要】：工业合金牌号均有特定的成分,说明必然存在成分相关的特定结构单元,但是至今合金牌号的产生均源自大量的经验探索,需要从固溶体结构的源头上重新理解合金成分、性能乃至合金设计方法。本文从原子之间的近程有序结构出发,通过引入“团簇加连接原子”结构描述方法,首次建立了置换型面心立方稳定固溶体的结构模型及相关成分单元,揭示出理想满足溶质与溶剂原子问相互作用的近程序结构单元,可用团簇式描述为：[团簇](连接原子)1～6,连接原子个数不同对应于不同的近程序构型,在这些特定成分下的固溶体具有特定的稳定局域结构。该团簇式可以定量解析Cu-Zn、Cu-Ni、Fe-Ni、 Cu-Au等实际合金牌号成分,从而为解析乃至设计工程合金提供一种全新实用方法。本文首先回顾了工业合金的组织和结构特点。很早就有人指出,合金的性能与固溶体合金的近程有序结构相关,直到90年代,这种有序结构通过衍射实验得到证实,表明各种性能优异的合金成分都与合金的特殊近程有序结构相关。但是以往对固溶体结构的描述仅仅停留在近程序参数上,不能获得反映固溶体整体结构和成分的结构单元,因此无法解释工程合金成分选择的依据。在我们组的前期工作中,从合金的近程有序结构出发,深入分析了多组元复杂准晶、非晶、固溶体合金的成份规律和结构特征,提出了适用于描述近程序结构的“团簇加连接原子”结构模型,有望解决工业合金的成分选择问题。然后,本文提出了最主要的创新成果,即面心立方固溶体合金的结构模型建立。鉴于溶质和溶剂原子在固溶体合金中呈现短程有序,而满足原子间相互作用的局域近程有序结构具有高的稳定性,本文引入团簇加连接原子结构描述方法,在FCC固溶体合金中,建立了含有第一近邻截角八面体团簇和位于团簇外的连接原子的局域结构单元理想结构模型和相应成分式。该局域结构由中心原子、12个第一近邻壳层原子、和至多6个位于团簇之外的连接原子组成,对应的成分式表述为[团簇](连接原子)1-6。连接原子个数来自对团簇堆垛的约束：团簇之间需保持孤立,以避免把团簇近程序扩展到更大范围致使固溶体失稳；同时要求团簇之间至多由一层原子隔开,并连接原子不集聚成与团簇相当的局域结构,这样就限定了团簇间距的矢量范围,超出6个连接原子的构型,均涉及更远团簇间距,例如本文也计算了连接原子为7时的团簇堆垛构型,其团簇之间近邻距离超出了前述矢量范围。最后,本文实施了二元面心立方固溶体合金典型牌号成分的团簇式解析。合金中的近程有序结构体现在最近壳层原子间存在很强的交互作用,这体现在混合焓和Cowley参数上。负混合焓的两个异类原子趋于近邻,形成溶质A为心的[A-B12]团簇,而连接原子位置由A原子占据,团簇式为[A-B122]A1～6。在混合焓绝对值较小的成分区,由于相应地较弱的原子间相互作用,连接原子位置由A、B混合占据,而仅保持第一近邻的异类近邻,团簇式因此还可以呈现为[A-B12](A,B)1～6。我们用该类团簇式很好解析了负混合焓Cu-Zn黄铜合金的常用牌号,团簇式分别为[Zn-Cu12]Zn1-6和[Cu-Zn12]Cub、 [Zn-Cu12]Cu5Zn1,后两者适用于贫Zn的合金。而对于正混合焓的二元合金,同类原子倾向近邻,团簇为同类原子构成[A-A12],异类原子则位于连接原子位置,团簇式为[A-A12]B1～6或[A-A12](A,B)1～6,前者和后者分别对应于混合焓较强和较弱的情形。这些团簇式可以很好的解析具有正混合焓的Cu-Ni合金,包括富Ni的Monel合金,其团簇式为[Ni-Ni12]Cu6,和富铜的白铜合金,[Cu-Cu,2](Cu,Ni)6。类似地,我们还证实了一批面心立方单相固溶体合金牌号均满足特定的成分式,例如铁镍合金可以表述为[Ni-Fe12]Nix或者[Fe-Ni12]Fex,金铜合金为Aux、[Cu-Au8Cu4](Au,Cu)x和[Au-Cu8A4] (Au,Cu)x,后面两种团簇源自有序相AuCu和AuCu3。上述结果表明,成熟工业合金牌号成分反映着固溶体近程有序本质结构,团簇加连接原子模型有望成为实用合金设计新方法,拓展出需要深入研究的一个新研究领域。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG131

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