相平面价电子结构及其在合金研究中的应用

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本文以余(瑞璜)氏固体与分子经验电子理论(EET)和程(开甲)氏改进的TFD理论为基础定义了相平面价电子结构的概念,建立了平面价电子结构的计算方法,给出了相界面之间的相对电子密度差△p的数学表达式,为相界面电子密度连续的计算和应用奠定了基础。当合金中存在异相界面且按一定的位向关系相匹配时,对原子的定态除了考虑键距差|△D|的大小以外,同样要考虑△p的大小。综合考虑两种因素的影响,提出了原子状态判定因子w,并用它讨论了Fe-C奥氏体、Fe-C马氏体中铁原子的杂化状态和合金奥氏体Fe-C-Me晶胞中原子的杂化状态。结果表明,Fe-C奥氏体含碳结构单元中,Fec原子的杂化状态为乙种杂化第13阶(B13),Fef原子的杂化状态为乙种杂化第14阶(B14)。Fe-C马氏体含碳结构单元中,Fe,Fe及Fe的杂化状态分别为甲种杂化第12(A12),10(A10)和9阶(A9)。对于合金奥氏体,Fec、Fef原子的杂化状态因Me(任一合金元素)原子的不同而发生改变。在Fe-C-Cr晶胞中,Fec、Fef、Cr的杂化状态分别为B14、B15、A7(或A8)阶;在Fe-C-W晶胞中,Fec、Fet、W原子的杂化状态分别为B13、B14、C1(或C2)阶;在Fe-C-Si晶胞中,Fec、Fef、Si原子的杂化状态分别为B15、B16(或B17)、A1(或A2、A3)阶;在Fe-C-Mn晶胞中,Fec、Fef、Mn原子的杂化状态分别为B14(或B13)、B15、C11阶。应用原子状态判定因子w来确定合金组成元素原子的杂化状态,是将程氏提出的各原子相接触的表面上电子密度必须连续这一电子运动的边界条件运用到余氏理论的计算中,不仅可使余氏确定原子杂化状态时解的多重性问题得以简化,而且在“异相界面电子密度连续”这一结合点上使余氏理论和程氏理论得到了衔接。分别对A1,A2和A3型晶体结构的部分金属的价电子结构进行了计算,并给出了三种类型结构金属的平面价电子结构分析通式。定义了表征晶体沿晶面发生滑移难易程度的参数F,F值越小,滑移越容易进行;反之则滑移越难进行。通过对A1,A2和A3型晶体结构中更多晶面的F值的计算表明,A1,A2和A3型晶体结构中的F值最小的晶面分别为{111},{110}和{0001}面。由此在价电子结构的层次上解释了A1,A2和A3型晶体发生滑移时的滑移面分别为{111),{110}和{0001}面的原因。把程氏改进的TFD理论中的电子运动边界条件运用于余氏理论中,计算了Fe-C奥氏体和Fe-C马氏体原子排列较密集的几个低指数晶面电子密度,通过对计算数据的分析,在价电子结构的层次讨论了马氏体相变时的位向关系。奥氏体向马氏体转变时,奥氏体的(111)晶面和马氏体的(110)晶面的相对电子密度差为6.95%,小于10%,即在一级近似下奥氏体的(111)面与马氏体的(110)面是连续的。按程氏理论指出的“固体中原子间的边界条件只是电子密度要连续”的量子力学条件,奥氏体向马氏体的转变其位向关系为:(111)γ∥(110)α。应用键能讨论了合金元素对奥氏体向马氏体转变相变点的影响,计算表明,当Mo、Cr、W、Mn、Ni等合金元素加入到奥氏体中后,合金奥氏体晶胞中共价键键能的最大值都比Fe-C晶胞中最大共价键键能值有不同程度的增加,因而需要更大的能量来打断合金奥氏体晶胞中的主干键以发生奥氏体向马氏体的转变,即这些合金元素的加入影响了奥氏体向马氏体的转变温度,共价键能值增加的越多,则所需的过冷度越大,相变温度就越低。Mn、Cr、Ni、Mo、W等合金元素对奥氏体向马氏体转变相变点影响的规律是:Mn、Cr、Ni降低相变点的作用较强,Mo、W次之,与金属学中的实验规律相吻合。基于平均晶胞模型和平均原子模型的思想分别给出了Fe基间隙固溶体和置换固溶体,Al-Mg置换固溶体的价电子结构详细的计算方法。在γ-Fe-C固溶体中,含碳晶胞的最强键络的共价电子对数nA较基体(γ-Fe)的nA值提高了近两倍;γ-Fe-N固溶体的含N晶胞的nA值较基体(γ-Fe)的nA值也提高了近1.4倍。然而在置换固溶体中,如Al-Mg固溶体的含Mg晶胞的nA值和Fe-Si固溶体含Si晶胞的nA值以及Fe-Mn固溶体含Mn晶胞的nA值较基体几乎没有变化。间隙固溶体较置换固溶体强化效果之所以更为明显,可以从nA值的变化找到答案。从而把固溶强化的机制追溯到固溶体的价电子结构上。
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