體心立方置換固溶體的團簇結(jié)構(gòu)模型及其在合金成分設(shè)計中的應(yīng)用.pdf

1、博士學(xué)位論文體心立方置換固溶體的團簇結(jié)構(gòu)模型及其在合金成分設(shè)計中的應(yīng)用ClusterStructureModeIfOrBCCSubstitutionaISoIidSoIutionsandtheApplicationf6rAOyC0mpOsitiOnDesign作者姓名：龐厥學(xué)號：10905024指導(dǎo)教師：董闖教授王清副教授學(xué)科、專業(yè)：凝聚態(tài)物理答辯日期：2015年11月19日大連理工大學(xué)DalianUniVerSityofTechnol

2、Ogy大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文燦㈣圳Ⅷ㈣㈣㈣川㈣ⅢllY2969242常用工業(yè)合金大部分以固溶體為基體或者完全由固溶體構(gòu)成，但是由于結(jié)構(gòu)模型的缺失，導(dǎo)致現(xiàn)有許多成分設(shè)計理論與方法難以適用于固溶體合金，因此，需要迸一步研究固溶體的結(jié)構(gòu)特征，探索合金成分設(shè)計新思路。本文從化學(xué)近程序角度出發(fā)，發(fā)展了體心立方置換固溶體的團簇加連接原子模型，建立了相應(yīng)的合金成分設(shè)計方法，并應(yīng)用于工業(yè)合金成分解析和成分優(yōu)化。本文首先完善了針對體心立方置換固溶體的團

3、簇加連接原子結(jié)構(gòu)模型。該模型以確定固溶體結(jié)構(gòu)單元為目標(biāo)，將固溶體局域結(jié)構(gòu)描述為配位數(shù)為14的菱形十二面體團簇和位于團簇之外的連接原子兩個部分，分別反映了溶質(zhì)與溶劑組元的強相互作用和弱相互作用。合金結(jié)構(gòu)單元可表述為[中心原子殼層原子14](連接原子)l～8的團簇式形式。并指出連接原子個數(shù)為1時，連接原子均勻分布，團簇密度最大，是一種特殊穩(wěn)定狀態(tài)。進而利用團簇結(jié)構(gòu)模型對現(xiàn)有體心立方結(jié)構(gòu)工業(yè)牌號合金進行了成分解析，包括Ti、Nb、Ta、Mo、

4、W、U等合金體系，指出成熟工業(yè)合金的成分均滿足[團簇](連接原子k的形式，且x=l為主要合金成分式，證實了相應(yīng)的理論推測。形成了解析合金成分的規(guī)范化步驟和合金成分設(shè)計基本流程，為發(fā)展新合金提供了一種簡捷思路和實用合金設(shè)計方法。最后本文將該方法應(yīng)用于若干體系典型體心立方合金的成分優(yōu)化設(shè)計中，包括生物醫(yī)用鋯基合金、耐輻照鋯基合金和高溫耐蝕釩基合金。低磁化率和低彈模量是鋯合金的重要屬性，可用于人體植入材料，其成分設(shè)計關(guān)鍵在于協(xié)調(diào)體心立方結(jié)構(gòu)穩(wěn)

5、定性和導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)元素的添加量，即保持相對穩(wěn)定的體心立方基體結(jié)構(gòu)，降低楊氏模量，同時在基體中析出微量的c【”相和(o相，提高合金強度，并降低合金整體的磁化率。根據(jù)團簇結(jié)構(gòu)模型可推斷出一般性團簇式『(Mo，Sn)(Zr，Ti)14]Nb，即連接原子x=1時的體心立方固溶體結(jié)構(gòu)的成分式，在該基礎(chǔ)成分式框架下，實現(xiàn)各元素間的最優(yōu)配比。開發(fā)的新鋯合金[(Moo5Sno5)一zrl4]Nb(Zr875Nb625M0313Sn313at％，Zr86

6、，45Nb629M0325SIl402wt％)和[(Moo5Sno5)一(Zrl3Til)]Nb(Zr8125Nb625T如5M0313Sn313at％，Zr827Nb648T沁4M0335Sn414叭％)的磁化率為純鋯金屬的85％，楊氏模量E=77～79GPa，維氏硬度日y=288～311磚fmm～，力學(xué)性能與Z卜6Nb合金相當(dāng)。一鋯由于其優(yōu)越的抗中子輻照特性而大量應(yīng)用于反應(yīng)堆包殼材料，為滿足高燃耗要求，需要進一步提高輻照環(huán)境下的耐腐