Al基准晶的团簇式及其硬弹性能计算

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针对准晶粉体作为固体润滑添加剂的重大应用进展,利用团簇加连接原子模型构建Al基准晶的团簇式,并以此探索准晶成分-结构-性能间的关联,为实用准晶材料的设计与开发提供理论依据。团簇加连接原子模型是本课题组提出的一种不同于传统晶体学(空间群加原子位置)的结构描述方法,该方法从最近邻的配位多面体(即团簇)出发,将包括准晶、非晶及一般晶体相在内的任何结构解离为强结合的团簇及相互作用较弱的连接原子两部分,即用团簇式表示为:[团簇](连接原子)x,其中x代表单个团簇对应的连接原子数目。近期,本课题组结合团簇加连接原子模型和Haussler的球共振模型进一步发展出团簇共振模型,指出理想金属玻璃单位团簇式内包含的价电子数目约为24个。本论文将利用团簇加连接原子模型,构建二元亚稳和三元稳定A1基准晶的团簇式,并结合价电子浓度因素考察准晶结构的稳定机制,同时从团簇角度定量地描述准晶结构与其力学性能之间的关联。本论文主要涵盖如下内容:(1)二十面体团簇被广泛认为是构建准晶的结构单元。鉴于准晶与其晶体类似相具有相同的局域二十面体短程序特征,提出了团簇选取的孤立度新准则,并结合团簇中原子的密堆特性,给出了准晶类似相中的特征二十面体的筛选方法,由此构建了相应二元Al-TM(TM=Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Re)准晶的团簇式:[孤立二十面体](连接原子)0或1。其中二十面体准晶的团簇式为[孤立二十面体],而十次准晶的团簇可解析为孤立二十面体加上一个TM连接原子,即[孤立二十面体]TM1。在二元Al-TM准晶单元团簇式的基础上,引入第三组元适当替换二十面体团簇的壳层位置原子,构建出三元Al-(Cu, Ni, Pd)-TM准晶的团簇式。同时,从价电子浓度因素考察了准晶的形成规律,借助于直接赋值法或团簇共振模型证实:上述A1基准晶单元团簇式内包含的价电子数目约为24个,表明准晶团簇式同时是化学和电子结构单元。(2)硬度是表征材料力学性能的重要指标之一,然而由于硬度测试涉及材料的弹性、塑性甚至裂纹扩展等一系列过程,硬度与材料微观结构的关联并未明确。我们从化学键的角度出发,在原子尺度上首次建立了硬度的微观模型,提出以准晶为代表的脆性材料其理论硬度对应于单位体积内最弱键断裂所需能量。引入团簇加连接原子模型,得到硬度的表达式为H=nεw/(Z/ρa),这里n为单位团簇式(包含的原子数目为Z)内的弱键断裂数目,εw为断裂弱键的键焓,ρa代表原子密度。假设团簇式作为刚体存在于准晶结构中,使得硬度压痕测试中裂纹通过破坏团簇之间的最弱化学键而扩展,即最弱键决定了脆性材料的硬度。通过估算经验原子密度ρa,断裂弱键的平均键焓εav及拟合断裂弱键的数目n(约为20个),计算出三元稳定Al-(Cu, Ni, Pd)-TM准晶的理论硬度约为9GPa,与硬度实测值基本吻合,从而初步证实了团簇加连接原子模型的实用性和有效性。(3)在硬度微观模型的基础上,进一步将团簇加连接原子模型扩展到准晶弹性性能的计算中。建立团簇-弹簧模型对准晶的弹性变形行为进行力学模拟,即将准晶中的团簇式视为刚性体,其间通过弱化学键(弹簧系数ks-s)以串联方式连接,因而弹性应变能主要由团簇之间的弱键承担,据此推导出杨氏模量的表达式为:其中τ为黄金分割比例(1+(?))/2,r1为团簇半径,N和ks-s分别为团簇间化学键的数目及键力常数。对于本论文所研究的Mackay型二十面体准晶,其二十面体团簇间的弱化学键数目N=36。由于Al基准晶二十面体团簇的壳层原子主要被Al原子占据(原子分数为7.5/12~11/12),可近似用纯Al的键拉伸力常数(kAl-Al=21.232N/m)来表征团簇间的键力常数ks-s,并采用e/u=24对应的理想团簇半径r1,最终得到三元稳定Al-(Cu, Ni, Pd)-TM准晶的理论杨氏模量处于175~183GPa,与报道的实验数据吻合。此外初步尝试将上述方法应用于Mg基和Fe基高脆性金属玻璃的杨氏模量计算中,用以检验团簇-弹簧模型的适用性。(4)虽然Al基三元准晶的团簇式各异,但其硬弹比(Hv/E)均接近0.05,注意到此比值与典型金属玻璃(Hv/E≈0.05)和共价化合物(Hv/E≈0.06)相当。基于最弱键断裂硬度模型和团簇-弹簧模型,探索了以准晶为代表的脆性材料高硬弹比的微观机理,指出脆性材料的硬弹比本质上是结构中最弱键密度和特性的宏观反映。
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