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FeAl强韧化的电子理论研究

孙家涛  
【摘要】:FeAl金属间化合物是一种具有良好应用前景的实用材料,但室温脆性、高温强度低影响了其进一步应用。20世纪70年代,发现某些金属间化合物通过合金化或适当的形变,可以一定程度上解决上述问题,从而引发了全世界范围内的对包括FeAl在内的金属间化合物的研究与开发热潮。 本文利用固体与分子经验电子理论,从电子结构层次上探讨了FeAl强韧化途径。 从键合特征这一角度和层次去理解FeAl金属间化合物的电子结构以及一些重要的性能,对于有效改善材料的性能和更好的进行材料设计具有重要意义。本文首先利用自编程序计算了B2有序FeAl的价电子结构,结合已有的实验数据确定了Fe、Al的杂化态,并对其脆性本质进行分析,探讨改善其脆性的途径,对其价电子结构对强韧化的影响进行了讨论。为了便于比较,NiAl的价电子结构也一并给出。 在无序化对FeAl强韧性的影响方面,采用Jaccrino-Walker模型和平均原子模型,计算了Fe原子的磁矩随周围最近邻Fe原子的数目变化,最后计算得出具有N个最近邻Fe原子的Fe的平均磁矩为1.41μB,这个值与实验值(0.65μB)要大得多,但是与其它理论计算结果(1.65μB)接近。这种计算值和实验值的差异是因为有序度的差别,计算是针对完全无序的FeAl,而实验中所用的是部分有序的FeAl。这同时也说明,FeAl的磁性可以通过进一步完全无序化来提高;并且把这种磁性的提高归结为,Fe原子周围最近邻Al的影响,Fe原子周围最近邻Al原子越多则这种影响越强烈。 在复合化增韧方面,计算了FeAl和碳化物的低指数晶面的电子密度,发现FeAl的(110)面的电子密度和碳化物的(100)电子密度在一级近似范围内可能保持连续。按照程—刘模型计算了(110)_(FeAl)//(100)_(TiC)界面电子密度保持连续的原子状态组数σ。理论计算预测:采用适当的制备工艺,尤其是原位制备工艺,尽量在复合材料界面中存在更多的(110)_(FeAl)//(100)_(MC)界面,有可能使FeAl/MC复合材料具有更为优异的力学性能,从而起到了对FeAl金属间化合物强韧化的作用。这种界面研究方法对其它陶瓷/金属间化合物复合材料也具有借鉴意义。


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