Al-Cr合金系中准晶近似晶体相的结构研究

摘要

随着现代工业的迅速发展，对金属材料的性能要求越来越高，迫切需要新一代金属材料的研发和生产。传统金属材料主要局限于纯金属和二元合金，结构比较简单，一个晶胞中一般只有几个或者数十个原子。高性能的金属材料有可能存在于大量未开发的三元或者四元合金。这类合金单胞参数巨大，晶胞中原子众多 (数百甚至上千) 并形成大量原子簇，结构非常复杂，被称为复杂金属合金 (Complex Metallic Alloys)。了解复杂金属合金的结构会有助于新材料的设计和性能的预测，但是解析这样的晶体结构比较困难。 Al-Cr 二元合金相图中富铝一端存在几个十次准晶近似晶体相，这些相的单胞参数也很大，且含有大量二十面体原子簇。它们的结构研究不仅有助于更好地理解 Al-Cr十次准晶的结构，也有助于理解复杂金属合金中原子簇的组合方式。本论文便是在这样的背景下展开的，主要包括以下内容： 通过中频感应炉加热熔炼后快速冷却的方法，在名义成分为 Al<,11>Cr<,2>的合金铸锭的缩孔中得到了η-Al<,11>Cr<,2>相的单晶体，确认该相确实存在。综合选区电子衍射和单晶 X-射线衍射分析，解释了历史上对该相单胞错误认识产生的原因。得到了η-Al<,11>Cr<,2>相精确的单胞参数 a = 1.77348(10) nm，b = 3.04615(18) nm，c = 1.77344(10) nm，β =91.0520(12)°，确认空间群为 C2/c。测得η-Al<,11>Cr<,2>相的化学成分为 Al<,83.8>Cr<,16.2>。通过热处理，在Al<,11>Cr<,2>合金的基体中也得到了η-Al<,11>Cr<,2>相。在金相实验中，观察到了包晶反应μ-Al<,4>Cr+L (Al) ←→η-Al<,11>Cr<,2>，证实了该反应的存在；同时，也观察到了共析反应η-Al<,11>Cr<,2> ←→μ-Al<,4>Cr+θ-Al<,7>Cr，与文献中的热力学计算结果相符。 运用单晶X-射线衍射结构解析的方法，成功解出了 Al-Cr十重对称准晶近似相单斜η-Al<,11>Cr<,2>和六方μ-Al<,4>Cr 的晶体结构。η-Al<,11>Cr<,2>相由一个独立的二十面体层块(PFP’)沿(101) 晶面的法线方向堆垛，每四层为一个周期。这个二十面体层块由五条平行的二十面体链α，β，γ，γ<'*>和β<'*>相互联接而成，其中α，β，γ为独立的二十面体链，β<'*>和γ<'*>通过处于b = 1/4 处的 n 滑移面由β，γ生成。μ-Al<,4>Cr 相由两个独立的二十面体层块(P<,1>F<,1>P<,1>’)和(P<,2>F<,2>P<,2><'m>)在 c 轴方向交替堆垛，共四层。两相之间存在关系 c<,μ> ≈ 2d<,(101)η> ≈ 2.485nm。η-Al<,11>Cr<,2>相中的二十面体层块(PFP’)与μ-Al<,4>Cr相的一个二十面体层块(P<,1>F<,1>P<,1>’)具有很多相似的结构特征。两个相在伪十次轴方向呈现为一系列平行二十面体链的不同组合，连接这些二十面体链的中心，可以形成按一定规律排列的 Penrose 拼块。通过对比μ-Al<,4>Cr相和μ-Al<,4>Mn相的晶体结构，确认二者等结构，证实了Cr原子和Mn原子在μ相中的完全可置换性。 通过原位加热电子显微镜观察，单斜η-Al<,11>Cr<,2>相在800℃加热保温 2 小时后，三个主要带轴电子衍射花样中的超结构弱衍射点消失，且单斜角变为直角，从而转变为一个新的体心正交相 O-Al<,11>Cr<,2>。这说明η-Al<,11>Cr<,2>相不但在降温的过程中不稳定，而且在较高温度时也会发生变化，由有序转为无序态。由于电子衍射花样具有伪十重旋转对称性，O-Al<,11>Cr<,2> 相也是十重准晶近似相。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1引言

1.2准晶的分类

1.2.1三维准晶

1.2.2二维准晶

1.2.3一维准晶

1.3准晶的描述方法

1.4准晶的结构研究

1.5十次准晶近似相的研究

1.6论文工作的研究背景：

参考文献

第二章样品制备及实验方法与原理

2.1样品制备

2.1.1原始合金样品的制备及热处理

2.1.2透射电子显微分析样品的制备

2.2实验方法及原理

2.2.1透射电子显微分析

2.2.2单晶X-射线衍射结构解析

参考文献

第三章单斜η-Al11Cr2的确定

3.1引言

3.2实验方法

3.3 η-Al11Cr2相是否存在?

3.4 η-Al11Cr2相的单胞参数的确定

3.5 η相生成和转变机制的探讨

3.6结论

参考文献

第四章单斜η-Al11Cr2的晶体结构

4.1引言

4.2实验方法

4.3结构描述

4.3.1二十面体

4.3.2二十面体链（lcosahedral chain)

4.3.3二十面体层块PFP‘(lcosahedral layer block PFP’）

4.3.4三维空间的二十面体堆垛结构

4.4结论

参考文献

第五章六方μ-Al4Cr的晶体结构

5.1引言

5.2实验方法

5.3结构描述

5.4讨论

5.4.1μ-Al4Cr与μ-Al4Mn的结构对比

5.4.2μ-Al4Cr与μ-Al11Cr2的关系

5.5结论

参考文献

第六章新正交相O-Al11Cr2的发现

6.1引言

6.2实验方法

6.3结果与讨论

6.4结论

参考文献

结论

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢