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弹性模量是金属材料选用以及加工工艺选择的主要依据,也是材料在工程设计和科学研究等方面的重要力学参数。然而,由于受实验条件的限制,金属材料弹性模量的实验信息相对其它力学性能更为匮乏。因此,通过建立模型对金属及合金材料的弹性模量进行计算,对基础科学的发展具有重要意义。本研究基于文献报道的实验信息,改进半经验模型,并构建多元合金弹性模量计算的外推模型,对立方结构纯金属以及其合金的弹性模量进行计算。所取得的主要研究结果如下:
(1)基于文献报道的部分弹性模量实验信息,结合本研究计算得到的高于室温的线膨胀系数,改进了计算弹性模量的半经验模型,并利用该模型计算了立方结构纯金属在不同温度时的弹性模量。其中,立方结构纯金属Al、Au、Ag、Cu、Pt、Rh、Ir、Mo、Ta、W、Ni、Fe(Tc点以下)的计算结果与实验值取得了良好的一致性。
(2)借鉴成熟的CALPHAD方法,构建了计算多元合金弹性模量的外推模型。运用此外推模型,结合计算获得的纯金属在不同温度下的弹性模量,计算了FCC金属二元系合金(Pt-Rh、Pt-Ir、Ag-Au、Cu-Ni)和BCC金属二元系合金(Nb-Mo、Ta-W、Ta-Nb、Nb-W、Fe-Cr)的弹性模量。二元合金的弹性模量计算结果与实验结果取得了良好的一致性。根据本研究所得的优化参数,可以计算上述各二元系合金在不同温度、成分时的弹性模量。
(3)基于文献报道的二元合金线膨胀系数的实验信息,运用半经验模型计算了Ni原子百分含量分别为36.83%和66.78%时的Cu-Ni二元合金,Ta-90.15at.%W二元合金和Ta-1.93at.%Nb二元合金的弹性模量。此种方法计算所得弹性模量与外推模型计算所得弹性模量值吻合良好。
(4)基于计算获得的二元合金弹性模量计算参数,运用三元合金弹性模量的外推模型,计算了三元系合金Nb-Ta-W在温度为600K、1200K、1800K时,随组元成分变化的弹性模量。此外,根据计算结果可得Nb-10W-10Ta三元合金在温度为600K、1200K、1800K时的弹性模量值分别为114GPa、129 GPa、144 GPa。本研究可为进一步研究和开发Nb-Ta-W三元系高温合金提供必要的理论指导。
本研究所获得的优化参数是合金高温时弹性模量信息的重要组成部分,同时可为合金的设计和工程应用提供重要的理论参考,并且为合金的弹性模量性能数据库的建立提供依据。