基于成分连续变化计算黏度的合金系临界冷速模型

在大块非晶临界冷却速率的非等温转变计算模型基础上提出了基于成分连续变化计算黏度的合金系临界冷速模型. 依据此模型对Zr-Ni-Al-Cu四元合金的临界冷却速率进行了计算并预测了Zr_66.67(Ni_{xAlyCuz)33.33合金系中容易形成非晶的成分范围. 计算值与实验值符合得较好. 计算结果表明，此合金系具有很强的非晶形成能力，特别是在靠近共晶点的中心区域，临界冷却速率小于100 K/s，为容易形成非晶的成分范围. 冷却过程中，在高于1000K温度区间，没有发生明显的结晶现象，而在980 K至870 K温度范围内，结晶分数快速增大，低于870 K时不再发生明显改变. 此外，分析了合金系中Al，Cu，Ni原子摩尔分数的变化对临界冷速的影响. 关键词： 大块非晶 黏度 临界冷却速率 非晶形成能力}     

用分析型嵌入原子方法计算Pd-Au合金的热力学性质

用修正的分析型嵌入原子方法计算了PdAu二元合金系的稀溶解热、形成焓、表面能和表面聚集能,并将计算的热力学性质与实验结果或第一性原理计算结果进行了比较.     

SmCo7纳米晶合金晶粒组织热稳定性的热力学分析与计算机模拟

推导出了单相纳米晶合金的晶界过剩体积与晶粒尺寸之间的定量关系, 建立了纳米晶合金的晶界热力学性质随温度和晶粒尺寸发生变化的确定性函数. 针对SmCo₇纳米晶合金, 通过纳米晶界热力学函数计算和分析, 研究了单相纳米晶合金的晶粒组织热稳定性. 研究表明, 当纳米晶合金的晶粒尺寸小于对应于体系中晶界自由能最大值的临界晶粒尺寸时, 纳米晶组织处于相对稳定的热力学状态; 当纳米晶粒尺寸达到和超过临界尺寸时, 纳米晶组织将发生热力学失稳, 导致不连续的快速晶粒长大. 利用纳米晶合金热力学理论与元胞自动机算法相耦合的模型对SmCo₇纳米晶合金在升温过程中的晶粒长大行为进行了计算机模拟, 模拟结果与纳米晶合金热力学模型的计算预测结果一致, 由此证实了关于纳米晶合金晶粒组织热稳定性的研究结论. 关键词： 纳米晶合金热力学 7纳米晶合金')" href="#">SmCo₇纳米晶合金 热稳定性 计算机模拟     

论材料非晶形成中的焓与熵:竞争亦或协同?

液固Gibbs自由能差是决定材料非晶转变的热力学关键因素,但该参量在预测非晶转变和指导非晶成分设计方面仍有一些基本问题有待解决.其中,一个关键问题是:作为Gibbs能差的两个核心要素,焓与熵,二者在决定和控制非晶转变中关系并不明确.基于课题组系列研究结果,本文就焓与熵在材料非晶转变中的协同性与独立性问题进行了全面探讨,发现二者在决定非晶形成上具有很强的相关性.理论分析和实验测量相结合,展示了材料熔化熵与熔点粘度、混合焓等多个非晶形成经典参量之间的内在关联,证实熔化熵与材料非晶形成之间的密切关联;并从多个角度证实材料低熔化熵有利于非晶形成,纠正了传统上基于经典形核理论得出的高熔化熵有利于非晶形成的认识.研究也发现,决定非晶形成的关键动力学与热力学参量,如粘度和混合焓,均可通过熔化熵得到表达.进而论证了熔化熵在评估非晶形成、指导非晶成分设计中的可靠性和有效性,由此提出熔化熵可作为理解指导材料非晶形成的代表性热力学参量.系列成果为发展非晶形成热力学、深入理解材料非晶形成提供了参考与思路.     

合金设计与相图

本文以具体实例证明，在现代合金设计中，相图特别是多元合金计算相图起着极其重要的作用。目前多元合金设计的主要内容是进行经验的相平衡计算，如果积累足够丰富的热力学数据，并进行合理的自由能近似计算，从而可以进行多元相平衡和相图的理论计算时，则合金设计将有极大的进步。合金相图的定量化和数字化本身就是合金设计的组成部分。     

非晶合金的高通量制备与表征

非晶合金是一种不同于传统合金材料的新型合金,其突出的机械、物理、化学等性能在工程应用领域备受关注.作为一种具有无序原子结构的新型合金,非晶合金中蕴含的丰富的物理现象在基础研究领域也备受瞩目.非晶合金往往由多个组元构成,这给成分优化和性能调制带来了巨大的挑战.材料基因组方法是最近发展起来的新方法,通过高通量制备和结构表征以及性能筛选有望加快新型非晶合金材料的探索,在高通量表征中获得的大量实验数据可以帮助人们理解非晶合金中的科学问题.本文主要介绍高通量制备和表征在非晶合金中的应用,通过列举典型案例,展示通过高通量方法探索新型非晶合金材料的作用.     

Cu-Zr-Ti系Cu基块体非晶合金的形成和成分优化

利用与团簇相关的变电子浓度判据研究了过渡金属Cu-Zr-Ti系中Cu基块体非晶合金的形成区域和成分特征.据此判据在Cu-Zr-Ti系相图中确定出三条特殊的成分线，(Cu_9／13Zr_4／13)_100-xTi_x，(Cu_0.618Zr_0.382)_100-xTi_x和(Cu_0.56Zr_0.44)关键词： 块体非晶合金 Cu-Zr-Ti合金 原子团簇 电子浓度     

基于逾渗理论的非晶合金屈服行为研究

从非晶合金的微观结构出发,基于处理强无序和具有随机几何结构系统常用的理论方法——逾渗理论来描述非晶合金剪切屈服时的塑性流变.为了更好地理解非晶合金剪切带萌生时的临界问题,结合已有的"自由体积(free volume)模型"和"剪切转变区(shear transformation zone)模型",建立了非晶合金剪切转变的逾渗模型.以Cu_(25)Zr_(75)二元非晶合金为例,计算了在剪切转变区内易发生塑性流动的原子团簇剪切失稳的逾渗阈值,并粗略估算了这些原子团簇的大小.研究发现,剪切失稳的逾渗阈值与临界约化自由体积浓度(x_c～2.4%)有着相似的特性,不同之处在于其值与自由体积的分散度有着密切联系.研究结果作为非晶合金的韧脆转变问题提供了新思路.     

纳米尺度下Sm-Co合金体系中相组成与相稳定性的研究

建立了纳米晶合金相的热力学模型,可定量描述纳米尺度下合金体系中化合物相的热力学性质,并预测合金相的稳定性及其转变规律.利用该模型全面计算了纳米晶Sm-Co合金体系中各化合物相在不同晶粒尺寸下的摩尔吉布斯自由能随温度的变化关系,预测了纳米尺度下Sm-Co合金体系中各物相的相对稳定性及转变规律.模型预测结果示出,在室温附近,随着纳米晶粒尺寸的减小,某些纳米晶合金相的摩尔吉布斯自由能将由负值变为正值,预示着将向其他更稳定的纳米晶合金相转变,这是与传统粗晶材料中合金相的稳定性仅依赖于温度条件而完全不同的纳米晶合金 关键词： 纳米晶材料热力学 Sm-Co合金 相稳定性 相变     

铁基软磁非晶/纳米晶合金研究进展及应用前景

非晶合金通常是将熔融的金属快速冷却、通过抑制结晶而获得的原子呈长程无序排列的金属材料.由于具有这种特殊结构,铁基软磁非晶合金具有各向同性特征、很小的结构关联尺寸和磁各向异性常数,因而具有很小的矫顽力H_c,但可和晶态材料一样具有高的饱和磁感强度B_s.优异的软磁性能促进了铁基软磁非晶合金的应用研究.目前,铁基软磁非晶/纳米晶合金带材已实现大规模工业化生产和应用,成为重要的高性能软磁材料.本文回顾了软磁非晶合金的发现和发展历程,结合成分、结构、工艺对铁基非晶/纳米晶合金软磁性能的影响,介绍了相关基础研究成果和工艺技术进步对铁基软磁非晶/纳米晶合金研发和工业化应用的重要贡献.并根据结构、性能特征将铁基软磁非晶合金研发与应用分为三个阶段,指出了目前铁基软磁非晶合金研发与应用中面临的挑战和发展方向.     

基于改进元胞自动机模型的三元合金枝晶生长的数值模拟

在二元合金元胞自动机模型的基础上,通过耦合多元合金热力学相平衡求解器PanEngine, 建立了三元合金改进的元胞自动机模型,可模拟初生相枝晶的生长过程. 模型考虑了曲率过冷和成分过冷对界面平衡溶质成分的影响,通过不同组元的无量纲溶质过饱和度方程和界面溶质守恒方程之间的耦合来求解界面生长速率,并通过PanEngine计算界面处的液相线温度. 采用本模型模拟了Al-7%Si-xMg三元合金自由枝晶的生长形态, 结果表明Mg含量的增加会抑制枝晶一次臂的生长和二次臂的产生.同时模拟了不同抽拉速度下 Al-7%Si-0.5%Mg合金柱状枝晶的竞争生长过程,随着抽拉速度的增大,柱状枝晶一次枝晶臂间距逐渐减小, 与Hunt理论模型符合较好.     

Al_xCrFeNiTi系高熵合金成分和弹性性质关系

为了探索Al_xCrFeNiTi系高熵合金组成成分和弹性性质的关系,结合固溶体特征参数和第一性原理计算,研究Al元素含量对Al_xCrFeNiTi (x=0, 0.5, 1, 2, 3, 4)合金结构和弹性性质的影响,并分析合金固溶体特征参数与弹性性质之间的关系.结果表明:Al_xCrFeNiTi系合金的价电子浓度随着Al含量的增加逐渐减小,合金在体心立方结构下的形成焓均低于面心立方结构,说明研究的Al_xCrFeNiTi系合金会形成单一的体心立方结构固溶体;合金的晶格常数和形成能力强弱随着Al含量的增加而增大,但合金的结构稳定性略有下降;当合金元素按照等原子比进行成分配比时,合金的原子尺寸差异最大; Al_xCrFeNiTi系合金中不同原子之间除了金属键结合外,还表现出一定的共价和离子键结合特征;对于Al_xCrFeNiTi系合金而言,随着热力学熵焓比的增大,合金体弹模量和韧性随之增大;随着合金混合焓的增加,合金在压缩方向的各向异性程度明显降低.热力学熵焓比和混合焓可作为Al_xCrFeNiTi系高熵合金成分设计的重要参数.     

机械合金化致二元过渡金属非晶态合金形成规律的探讨

运用Ｍｉｅｄｅｍａ参数和尺寸因子Ｒ分别构成Ｍｉｅｄｅｍａ参数坐标和三维化学坐标成功地研究机械合金化二元过渡金属非晶合金的形成规律。基于实验事实所确定的机械合金化二元非晶的形成条件分别是见原文，以上两判据区分机械合金化非晶态合金形成与否的准确度分别为８０％和８８％。从微观原子的相互作用以及固态反应非晶化热力学和动力学的角度分析了以上参数在描述机械合金化二元过渡族合金体系非晶形成规律的内在物理涵义以及与固态反应非晶化实现所需条件的联系。 关键词：     

Pd基非晶合金动态弛豫机制和应力松弛行为

作为潜在的功能及结构材料,高熵非晶合金在凝聚态物理和力学领域引起广泛的研究兴趣.高熵非晶合金宏观力学性能与微观结构非均匀性之间的关联是当前重要的科学问题之一.本文选取非晶形成能力良好的Pd_42.5Cu₃₀Ni_7.5P₂₀非晶合金和Pd₂₀Pt₂₀Cu₂₀Ni₂₀P₂₀高熵非晶合金作为模型体系,借助于动态弛豫行为及应力松弛实验建立了温度和物理时效对非晶合金高温变形机制与微观结构非均匀性之间的关联.研究结果表明Pd基非晶合金表现出“肩膀峰”β弛豫形式.玻璃转变温度以下物理时效非晶合金体系原子移动性导致β弛豫肩膀峰往更高的温度迁移.在应力松弛过程中,由于高构型熵的引入降低吉布斯自由能,这是高熵非晶合金具有较高激活能的原因.高熵非晶合金更难被激活,需要突破更高的能量势垒.物理时效时间增加,高熵非晶合金流变单元更小,这也得益于多主元高熵非晶合金慢扩散效应.高熵非晶合金激活体积的改变在物理时效下应力松弛...     

非晶合金的离子辐照效应

非晶合金作为一种快速凝固形成的新型合金材料,引起了材料研究者的极大兴趣.微观结构上长程无序、短程有序的特征使其具有独特的物理、化学和力学性能,在许多领域展现出良好的应用前景,尤其是有望成为核反应堆、航空航天等强辐照环境下的备选结构材料.本文深入探讨非晶合金的辐照效应,主要讨论离子辐照对非晶合金微观结构、宏观力学性能以及其他物理化学性能的影响,可为进一步理解非晶合金的微观结构和宏观力学性能之间的关系提供有效的实验和理论基础,也可为非晶合金在强辐照环境下的服役性能预测提供实验依据,对推进非晶合金这一先进材料的工程化应用具有重要的理论与实际意义.     

多模态混合输入模拟实验过程实现新型Al-Si-Mg系合金设计

数据驱动下,基于大量的实验数据,建立混合特征与力学性能之间非线性规律实现合金新成分的配比和工艺设计一直是一个挑战.本文基于机器学习的方法,提出一种面向性能的Al-Si-Mg系合金“成分-工艺-性能”的设计策略.将同一体系不同牌号合金的成分、熔炼及热处理工艺等混合因素作为特征,通过随机森林寻找特征与抗拉强度之间的非线性规律.之后将数据集中部分合金的成分、工艺参数设置为目标空值,使用链式方程多重插补算法对目标缺失数据进行预测插补.通过该策略进行性能预测或指导设计的合金抗拉强度的实验值和预测值的误差均保持在±5%之内;而且经实验证实,其中Al-6.8Si-0.6Mg-0.05Sr的成分配比和540℃×10 h+170℃×10 h工艺方案使合金综合拉伸性能优异,质量指数Q_DJR达到517.3,高于同类合金低于500 Q_DJR值的水平.这一结果表明该策略有助于改善高强度Al-Si-Mg系合金传统设计方法周期长、成本高、效率低的问题.     

Al元素含量对高熵合金Al_xFeTiCrZnCu力学性能的影响

采用第一性原理密度泛函理论,结合平面波赝势和广义梯度近似(GGA),用虚拟晶体近似(VCA)的方法建立高熵合金的固溶结构模型,计算了高熵合金Al_xFeTiCrZnCu的结构性能、弹性性能和生成热.计算结果表明,Al_xFeTiCrZnCu高熵合金的密度随着Al元素含量的增加而减小,晶格常数在Al元素摩尔含量为1时最小. Al元素含量的增加能提高高熵合金Al_xFeTiCrZnCu的力学稳定性.基态总能量和生成热都随着Al元素含量的增加而增加,但是合金系的稳定性和热力学稳定性有所下降.     

高压Ni77P23非晶合金自由体积变化的同步辐射研究

利用同步辐射高能X光散射的方法,研究了室温下非晶合金Ni77P23的自由体积的变化所引起的压缩行为的变化规律,通过傅里叶变换得到不同压力下的径向分布函数,并由此获得了不同压力下,该非晶合金的配位数、近邻原子间距等原子构型的结构信息. 研究表明,至直30.5GPa压力,Ni77P23合金仍保持稳定的非晶结构,根据Bridgman方程通过拟合数据,得到状态方程为 -ΔV/V0=0.08606P-3.2×10-4P2+5.7×10-6P3.     

Al-Ce二元合金的第一原理计算

用第一原理方法对Al-Ce二元合金系统的金属间化合物进行了结构优化和总能量计算,通过拟合状态方程,得到体弹性模量及体弹性模量对压强的微分,计算得到的金属间化合物的形成焓与实验值以及其他理论结果相符。     

铜基大块非晶合金添加微量元素对腐蚀行为的影响机理研究

通过分子动力学方法模拟了Cu-Al合金液相,然后模拟降温过程得到Cu-Al非晶合金.通过计算机编程建立了Cu-Al-M非晶基体、Cu-Al-M非晶表面及吸附O原子Cu-Al-M非晶表面原子结构模型.利用实空间连分数方法,研究了添加微量合金元素Zr,Nb,Ta,V,Y,Sc对Cu基大块非晶合金的腐蚀行为的影响机理.研究发现合金元素Zr,Nb,Ta,V,Sc不向清洁Cu基非晶表面偏聚,但除Y外向有氧吸附的表面偏聚,说明有氧吸附后Cu基非晶表面偏聚发生逆转.键级积分计算表明Zr,Nb,Ta,V,Y,Sc元素均增大与氧之间的结合力,易形成氧化膜,提高Cu基大块非晶的耐蚀性.稀土Y提高Cu基大块非晶的耐蚀性可能是由于它向合金与氧化膜界面偏聚并提高了合金与氧化膜的结合力.