【摘要】：工業(yè)合金牌號(hào)均有特定的成分,說(shuō)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(hào)的產(chǎn)生均源自大量的經(jīng)驗(yàn)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(jì)方法。本文從原子之間的近程有序結(jié)構(gòu)出發(fā),通過(guò)引入“團(tuán)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)與溶劑原子問(wèn)相互作用的近程序結(jié)構(gòu)單元,可用團(tuán)簇式描述為：[團(tuán)簇](連接原子)1～6,連接原子個(gè)數(shù)不同對(duì)應(yīng)于不同的近程序構(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(tuán)簇式可以定量解析Cu-Zn、Cu-Ni、Fe-Ni、 Cu-Au等實(shí)際合金牌號(hào)成分,從而為解析乃至設(shè)計(jì)工程合金提供一種全新實(shí)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(diǎn)。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(guò)衍射實(shí)驗(yàn)得到證實(shí),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(duì)固溶體結(jié)構(gòu)的描述僅僅停留在近程序參數(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(wú)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(tuán)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(wèn)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(tuán)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(tuán)簇和位于團(tuán)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(gè)第一近鄰殼層原子、和至多6個(gè)位于團(tuán)簇之外的連接原子組成,對(duì)應(yīng)的成分式表述為[團(tuán)簇](連接原子)1-6。連接原子個(gè)數(shù)來(lái)自對(duì)團(tuán)簇堆垛的約束：團(tuán)簇之間需保持孤立,以避免把團(tuán)簇近程序擴(kuò)展到更大范圍致使固溶體失穩(wěn)；同時(shí)要求團(tuán)簇之間至多由一層原子隔開(kāi),并連接原子不集聚成與團(tuán)簇相當(dāng)?shù)木钟蚪Y(jié)構(gòu),這樣就限定了團(tuán)簇間距的矢量范圍,超出6個(gè)連接原子的構(gòu)型,均涉及更遠(yuǎn)團(tuán)簇間距,例如本文也計(jì)算了連接原子為7時(shí)的團(tuán)簇堆垛構(gòu)型,其團(tuán)簇之間近鄰距離超出了前述矢量范圍。最后,本文實(shí)施了二元面心立方固溶體合金典型牌號(hào)成分的團(tuán)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(qiáng)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(gè)異類原子趨于近鄰,形成溶質(zhì)A為心的[A-B12]團(tuán)簇,而連接原子位置由A原子占據(jù),團(tuán)簇式為[A-B122]A1～6。在混合焓絕對(duì)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(tuán)簇式因此還可以呈現(xiàn)為[A-B12](A,B)1～6。我們用該類團(tuán)簇式很好解析了負(fù)混合焓Cu-Zn黃銅合金的常用牌號(hào),團(tuán)簇式分別為[Zn-Cu12]Zn1-6和[Cu-Zn12]Cub、 [Zn-Cu12]Cu5Zn1,后兩者適用于貧Zn的合金。而對(duì)于正混合焓的二元合金,同類原子傾向近鄰,團(tuán)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(tuán)簇式為[A-A12]B1～6或[A-A12](A,B)1～6,前者和后者分別對(duì)應(yīng)于混合焓較強(qiáng)和較弱的情形。這些團(tuán)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(tuán)簇式為[Ni-Ni12]Cu6,和富銅的白銅合金,[Cu-Cu,2](Cu,Ni)6。類似地,我們還證實(shí)了一批面心立方單相固溶體合金牌號(hào)均滿足特定的成分式,例如鐵鎳合金可以表述為[Ni-Fe12]Nix或者[Fe-Ni12]Fex,金銅合金為Aux、[Cu-Au8Cu4](Au,Cu)x和[Au-Cu8A4] (Au,Cu)x,后面兩種團(tuán)簇源自有序相AuCu和AuCu3。上述結(jié)果表明,成熟工業(yè)合金牌號(hào)成分反映著固溶體近程有序本質(zhì)結(jié)構(gòu),團(tuán)簇加連接原子模型有望成為實(shí)用合金設(shè)計(jì)新方法,拓展出需要深入研究的一個(gè)新研究領(lǐng)域。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG131

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本文編號(hào)：2366729