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金属学报    DOI: 10.11900/0412.1961.2017.00462
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固溶体中的化学结构单元与合金成分设计

董闯1,董丹丹2,王清3
1. 大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室  大连  116024
2. 大连大学物理科学与技术学院  大连  116622
CHEMICAL UNIT OF Cu-BASED BINARY INDUSTRIAL ALLOYS
全文: PDF(483 KB)  
摘要: 工业合金具有特定的牌号成分,理解这些特殊成分背后的结构根源可以从原子结构层面上指导新合金的研发,有效缩短工业合金的制备流程。工业合金多以固溶体结构为基础,而固溶体以化学近程有序为结构特征,长期以来,人们只能以统计方式获得溶质元素偏离平均结构的程度,由于缺失描述近程序的精确结构分析方法,无法构建能够指导合金成分设计的有效结构模型。既然优质合金均具有特殊成分,这些成分背后一定对应于类似于分子的特定结构单元。我们课题组经过十余年研究,提出了一种全新的团簇加连接原子模型,用于描述近程有序结构。具体到固溶体中,该模型指出,存在理想满足原子间相互作用的化学结构单元,仅涵盖第一近邻团簇以及若干次近邻的连接原子,可表示成团簇成分式[团簇](连接原子)。该式类似于化学物质的分子式,是代表总体平均结构的最小结构单元。通过将Friedel振荡机制引入到该模型,我们进而建立了固溶体的团簇共振模型,给出了团簇的球周期近邻堆垛方式,从而解决了原子密度的关键问题,指出团簇成分式所包含原子个数正比于平均原子密度和团簇半径立方,由此可以定量计算出理想化学结构单元的成分式。本文列举了根据公式计算得到的典型Cu基二元合金最佳化学结构单元,其成分与最常用工业合金高度吻合,例如最常用的黄铜为70Cu-30Zn (质量百分比),对应于[Zn-Cu12]Zn4团簇成分式。本工作用化学结构单元揭示了工业合金的成分根源,为成分设计提供新的实用方法。
关键词 化学结构单元工业合金团簇加连接原子模型固溶体近程有序    
Abstract:Industrial alloys all have specific chemical compositions as standardized in specifications. Understanding the structural origin of special compositions for these solid-solution alloys is significant to shortening the development of new industrial alloys. It is well accepted that all alloys are based on solid solutions characterized by chemical short-range ordering. Previously it was only possible to describe the deviation of solute distribution from average mode in a statistical manner. The lack of an accurate structural tool to address the characteristic short-range-order structures constitutes the major obstacle in establishing an effective structural model that allows precise composition design for alloys. Since alloys with good comprehensive performance do have specific chemical compositions, their compositions should correspond to molecule-like specific structural units. After a long effort of more than a decade, we have developed a new structural tool, so-called the cluster-plus-glue-atom model, to address any short-range-ordered structures. In particular, solid solutions can be understood as being constructed from the packing of special chemical units covering only the nearest-neighbor cluster and a few glue atoms located at the next outer shell, expressed in molecule-like cluster formula [cluster](glue atoms). Such units represent the smallest particles that are representative of the whole structures, just like molecules do for chemical substances. After introducing Friedel oscillation, the cluster-plus-glue-atom model is turned into the cluster-resonance model that provides also the inter-cluster packing modes. Ideal atomic density is hence obtained which is only proportional to the number of atoms in the unit and the cube of the cluster radius. The calculation of chemical unit is then possible and is conducted in typical binary Cu-based industrial alloys. The calculated formulas give chemical composition that highly agree with the most popular alloy specifications, as exemplified by [Zn-Cu12]Zn4 that interprets the most widely used ?-brass Cu-30Zn. Our work reveals the composition origin of industrial alloys and demonstrates its high potential for developing chemically complex alloys.
Key wordsChemical Unit    Industrial Alloys    Cluster-plus-glue-atom model    Solid Solution    Short-range order
收稿日期: 2017-11-02     
基金资助:国家自然科学基金
通讯作者: 董闯   
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固溶体中的化学结构单元与合金成分设计 [J]. 金属学报, 10.11900/0412.1961.2017.00462.

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