金屬材料體彈性模量的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?pdf

1、隨著金屬材料特性的深入研究和人們在特殊環(huán)境下使用材料時(shí)對材料性能的特殊要求，人們對金屬材料應(yīng)用特性與相關(guān)物性提出了更高要求，如生物醫(yī)用材料，要求材料具有較低彈性模量、優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性。但由于實(shí)驗(yàn)的限制，有些物理量無法實(shí)測，因此我們必須從材料微結(jié)構(gòu)出發(fā)，理論上構(gòu)建材料性能與組分、結(jié)構(gòu)等的對應(yīng)關(guān)系，為研發(fā)新材料提供有價(jià)值的理論指導(dǎo)。 本學(xué)位論文從微觀角度分析了體彈性模量的影響因素，具體研究了金屬Fe的體彈性模量與溫度、壓強(qiáng)

2、的函數(shù)關(guān)系，研究了理想固溶體的體彈性模量隨組元含量的變化規(guī)律，得到如下結(jié)果： 1.應(yīng)用MAEAM模型和非簡諧效應(yīng)，計(jì)算了BCC金屬Fe的體彈性模量，研究了體彈性模量隨溫度、壓強(qiáng)的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)其體彈性模量是溫度的二次函數(shù)，表明原子的非簡諧振動是體彈性模量隨溫度變化的主要原因；同時(shí)發(fā)現(xiàn)Fe的體彈性模量隨壓強(qiáng)P增加而增大，而且當(dāng)壓強(qiáng)小于4×1011Pa時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好，并發(fā)現(xiàn)簡諧系數(shù)和第二非簡諧系數(shù)都不影響體彈性模量隨

3、壓強(qiáng)的變化規(guī)律。 2.以Vegard定律、簡諧理論和胡克定律為基礎(chǔ)，提出了二元理想固溶體體彈性模量計(jì)算的線性模型、簡諧模型和力常數(shù)模型，并將其應(yīng)用于11個(gè)二元同構(gòu)固溶體Al-Ni、Al-Cu、Ni-Au、Au-Ag、Au-Cu、Fe-Cr、Mo-Nb、Nb-Cr、Hf-Ti、Hf-Zr、Zr-Ti和19個(gè)二元異構(gòu)固溶體Ag-Zn、Cu-Zn、Cu-Be、Ni-Co、Ni-Ti、Al-Li、Cr-Al、Fe-Ni、Fe-Ir、Fe

4、-Rh、Fe-Pd、Fe-Pt、Cr-Ti、Li-Mg、Ti-Ta、Fe-Co、Mo-Re、Fe-Re、Fe-Ru體彈性模量的計(jì)算。 結(jié)果表明，對于FCC-FCC同構(gòu)固溶體Au-Ag、Au-Ni、Al-Cu和Al-Ni，三種計(jì)算模型所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大相對誤差不超過13％、5％、5％、13％：對于Au-Cu，室溫條件下，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大相對誤差不超過4％，且簡諧模型所得結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對于BCC-BCC同構(gòu)固溶體Cr

5、-Fe、Nb-Cr和Mo-Nb，三種計(jì)算模型所得計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大相對誤差不超過16％、21％和6％。 對于HCP-HCP二元同構(gòu)固溶體Hf-Ti、Hf-Zr、Zr-Ti，三種模型所得計(jì)算結(jié)果十分接近，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對誤差范圍為58-451％、58-65％、60~64％，表明線性模型、簡諧模型和力常數(shù)模型都不能很好地描述材料的體彈性模量。其原因是在計(jì)算金屬材料的體彈性模量時(shí)，結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)不能忽略；另外，由結(jié)構(gòu)．性能關(guān)

6、系，我們知道材料的微觀結(jié)構(gòu)決定材料的性質(zhì)，而簡諧模型和力常數(shù)模型，直接將HCP結(jié)構(gòu)等效視為FCC結(jié)構(gòu)，這從某種意義上也可能引入誤差。 對于FCC-HCP異構(gòu)固溶體Cu-Be、Ni-Co，三種模型所得計(jì)算結(jié)果十分接近，理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大相對誤差不超過19％、13％；對于Cu-Zn、Ni-Ti系，最大相對誤差不超過17％、24％，符合程度為：線性模型>力常數(shù)模型>簡諧模型，表明三種模型皆能很好地描述Cu-Zn、Ni-Ti異構(gòu)固溶體

7、的體彈性模量。 對于FCC-BCC異構(gòu)固溶體Al-Li、Cr-Al、Fe-Ni、Fe-Ir、Fe-Pd、Fe-Pt，三種模型皆能很好地描述固溶體的體彈性模量；但對于Fe-Rh，理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)。對Al-Li、Cr-Al、Fe-Ir、Fe-Pd，理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大相對誤差不超過43％、15％、32％、31％；但對于Fe-Rh，所得計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相對誤差接近100％,其原因可能是Fe原子的鐵磁性影響材料的體彈性模

8、量；對于異構(gòu)固溶體Fe-Pt，當(dāng)Pt為0~10at％時(shí)，三種模型所得計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分吻合，最大相對誤差不超過10％，當(dāng)Pt為25~30at％時(shí)，最大相對誤差接近100％。對于固溶體Fe-Pt，溶質(zhì)含量為0~10at％時(shí)，三種模型都能很好地描述其體彈性模量；對于固溶體Fe-Ni，F(xiàn)e為55~65at％，相對誤差很大，接近65％，在其它成分范圍，三種模型所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分吻合，最大相對誤差不超過9％，對于Fe-Ni，F(xiàn)e含量不在5

9、5～65at％范圍時(shí)，三種模型都能很好地描述其體彈性模量。這也可能與Fe元素鐵磁性引起的相關(guān)物性反常效應(yīng)有關(guān)。 對于HCP-BCC異構(gòu)固溶體，三種模型所得結(jié)果十分接近，都能很好地描述固溶體的體彈性模量。對Cr-Ti、Ti-Ta、Fe-Co，理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大相對誤差不超過15％、8％、7％，符合程度為：線性模型>簡諧模型>力常數(shù)模型：對Li-Mg、Fe-Re、Fe-Ru，理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大相對誤差不超過18％、18％、19％

10、，符合程度為：力常數(shù)模型>簡諧模型>線性模型；對于Mo-Re系，最大相對誤差不超過36％，當(dāng)Mo含量為60~90at％時(shí)，最大相對誤差不超過9％，采用簡諧模型和力常數(shù)模型所得結(jié)果十分接近，比線性模型計(jì)算值更接近實(shí)驗(yàn)測量值。 3將二元固溶體體彈性模量計(jì)算模型推廣到三元固溶體，并將其應(yīng)用到三元同構(gòu)固溶體Nb-Cr-V，三元異構(gòu)固溶體Nb-Al-Ti、Ti-Ni-Cu和Layes相Nb-Cr-Ti三元合金系的體彈性模量計(jì)算。

11、對于三元同構(gòu)固溶體Nb-Cr-V，線性模型、簡諧模型和力常數(shù)模型均能較好地描述其體彈性模量，而且采用力常數(shù)模型，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更吻合，最大相對誤差不超過9％。對于三元異構(gòu)固溶體Ti-Ni-Cu，線性模型和忽略結(jié)構(gòu)差異的簡諧模型及忽略結(jié)構(gòu)差異的力常數(shù)模型均能較好地描述其體彈性模量，最大相對誤差不超過30％；對于NbxAl2Ti98-x，當(dāng)Nb含量為40wt％時(shí)，計(jì)算結(jié)果的相對誤差接近92％；對于NbxAl3Ti97-x，當(dāng)Nb含量為2

12、8wt％時(shí)，存在體彈性模量的突變，而我們提出的模型暫不能給出存在奇異點(diǎn)的物理圖象。這說明我們提出的模型不能很好地描述連續(xù)成分范圍內(nèi)Nb-Al-Ti合金系的體彈性模量，這可能與Nb-Al-Ti合金系在不同成分范圍具有不同的相結(jié)構(gòu)有關(guān)，這也從某種意義上表明相結(jié)構(gòu)影響材料的體彈性模量。對Nb-Cr-Ti，當(dāng)Cr取值67at％，采用線性模型所得計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最吻合，當(dāng)Cr取值在67at％上下波動時(shí)，采用忽略結(jié)構(gòu)差異的力常數(shù)模型計(jì)算結(jié)果更接近