面心立方固溶體的團簇模型及工程合金的成分解析.pdf

1、工業(yè)合金牌號均有特定的成分，說明必然存在成分相關(guān)的特定結(jié)構(gòu)單元，但是至今合金牌號的產(chǎn)生均源自大量的經(jīng)驗探索，需要從固溶體結(jié)構(gòu)的源頭上重新理解合金成分、性能乃至合金設(shè)計方法。本文從原子之間的近程有序結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過引入“團簇加連接原子”結(jié)構(gòu)描述方法，首次建立了置換型面心立方穩(wěn)定固溶體的結(jié)構(gòu)模型及相關(guān)成分單元，揭示出理想滿足溶質(zhì)與溶劑原子間相互作用的近程序結(jié)構(gòu)單元，可用團簇式描述為:[團簇](連接原子)1～6,連接原子個數(shù)不同對應(yīng)于不同的近程

2、序構(gòu)型，在這些特定成分下的固溶體具有特定的穩(wěn)定局域結(jié)構(gòu)。該團簇式可以定量解析Cu-Zn、Cu-Ni、Fe-Ni、Cu-Au等實際合金牌號成分，從而為解析乃至設(shè)計工程合金提供一種全新實用方法。
　　本文首先回顧了工業(yè)合金的組織和結(jié)構(gòu)特點。很早就有人指出，合金的性能與固溶體合金的近程有序結(jié)構(gòu)相關(guān)，直到90年代，這種有序結(jié)構(gòu)通過衍射實驗得到證實，表明各種性能優(yōu)異的合金成分都與合金的特殊近程有序結(jié)構(gòu)相關(guān)。但是以往對固溶體結(jié)構(gòu)的描述僅僅停留

3、在近程序參數(shù)上，不能獲得反映固溶體整體結(jié)構(gòu)和成分的結(jié)構(gòu)單元，因此無法解釋工程合金成分選擇的依據(jù)。在我們組的前期工作中，從合金的近程有序結(jié)構(gòu)出發(fā)，深入分析了多組元復(fù)雜準(zhǔn)晶、非晶、固溶體合金的成份規(guī)律和結(jié)構(gòu)特征，提出了適用于描述近程序結(jié)構(gòu)的“團簇加連接原子”結(jié)構(gòu)模型，有望解決工業(yè)合金的成分選擇問題。
　　然后，本文提出了最主要的創(chuàng)新成果，即面心立方固溶體合金的結(jié)構(gòu)模型建立。鑒于溶質(zhì)和溶劑原子在固溶體合金中呈現(xiàn)短程有序，而滿足原子間相互

4、作用的局域近程有序結(jié)構(gòu)具有高的穩(wěn)定性，本文引入團簇加連接原子結(jié)構(gòu)描述方法，在FCC固溶體合金中，建立了含有第一近鄰截角八面體團簇和位于團簇外的連接原子的局域結(jié)構(gòu)單元理想結(jié)構(gòu)模型和相應(yīng)成分式。該局域結(jié)構(gòu)由中心原子、12個第一近鄰殼層原子、和至多6個位于團簇之外的連接原子組成，對應(yīng)的成分式表述為[團簇](連接原子)1～6。連接原子個數(shù)來自對團簇堆垛的約束:團簇之間需保持孤立，以避免把團簇近程序擴展到更大范圍致使固溶體失穩(wěn);同時要求團簇之間至

5、多由一層原子隔開，并連接原子不集聚成與團簇相當(dāng)?shù)木钟蚪Y(jié)構(gòu)，這樣就限定了團簇間距的矢量范圍，超出6個連接原子的構(gòu)型，均涉及更遠(yuǎn)團簇間距，例如本文也計算了連接原子為7時的團簇堆垛構(gòu)型，其團簇之間近鄰距離超出了前述矢量范圍。
　　最后，本文實施了二元面心立方固溶體合金典型牌號成分的團簇式解析。合金中的近程有序結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在最近殼層原子間存在很強的交互作用，這體現(xiàn)在混合焓和Cowley參數(shù)上。負(fù)混合焓的兩個異類原子趨于近鄰，形成溶質(zhì)A為心的[

6、A-B12]團簇，而連接原子位置由A原子占據(jù)，團簇式為[A-B12]A1～6。在混合焓絕對值較小的成分區(qū)，由于相應(yīng)地較弱的原子間相互作用，連接原子位置由A、B混合占據(jù)，而僅保持第一近鄰的異類近鄰，團簇式因此還可以呈現(xiàn)為[A-B12](A，B)1～6。我們用該類團簇式很好解析了負(fù)混合焓Cu-Zn黃銅合金的常用牌號，團簇式分別為[Zn-Cu12]Zn1～6和[Cu-Zn12]Cu6、[Zn-Cu12]Cu5Zn1,后兩者適用于貧Zn的合金。

7、而對于正混合焓的二元合金，同類原子傾向近鄰，團簇為同類原子構(gòu)成[A-A12]，異類原子則位于連接原子位置，團簇式為[A-A12]B1～6或[A-A12](A，B)1～6,前者和后者分別對應(yīng)于混合焓較強和較弱的情形。這些團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，其團簇式為[Ni-Ni12]Cu6,和富銅的白銅合金，[Cu-Cu12](Cu，Ni)6。類似地，我們還證實了一批面心立方單相固溶體合金牌號均滿