纳米尺度下金属热稳定性与合金相稳定性的研究

摘要

纳米晶材料所具备的一系列特殊性能均与显著增大的纳米晶界体积分数有关，纳米晶材料的性能是由纳米晶界的结构和能量状态决定的，需要从材料热力学的角度进行深入分析。在本研究组建立的金属纳米晶热力学模型的基础上，本文分别对金属纳米晶和纳米尺度下合金化合物的热力学特性、热稳定性及相变特性进行了系统的研究。 首先对金属纳米晶的基本热力学函数和热力学特性进行了模拟计算，表明其均为温度和过剩体积的确定型函数。利用晶界与晶粒内部原子排列密度的假设，推导出晶界过剩体积与晶粒尺寸的近似关系式，并进一步获得了金属纳米晶热力学特性的纳米尺寸效应。 应用金属纳米晶热力学模型，计算和预测了铜纳米晶的热稳定性。应用纳米晶热力学/元胞自动机耦合模型，对铜纳米晶的等温和变温晶粒长大行为进行了计算机模拟。金属纳米晶热力学模型、计算机仿真和实验研究均证实铜纳米晶在一定温度范围内发生不连续快速晶粒长大的现象，由此说明了将三种研究方法相结合研究金属纳米晶热稳定性的合理性和可靠性。 通过对合金体系各计算参数的分析和对金属纳米晶热力学模型的修正，得到纳米尺度下合金体系化合物相的热力学分析模型。将其应用于纳米尺度下Sm-Co合金体系，分别计算了各化合物相的热力学特性与温度和晶界过剩体积的关系。由各化合物相吉布斯自由能与温度及过剩体积的关系，分析预测了纳米尺度Sm-Co合金化合物相的相对稳定性。以纳米晶Sm2Co17和Sm22Co7化合物为例，利用纳米晶合金热力学模型，对纳米晶合金相变特性与晶粒尺寸和温度的关系进行了预测，指出了二种化合物在室温下发生相转变的临界晶粒尺寸。对纳米晶Sm2Co17化合物的退火实验证实了当温度从500℃升高到600℃时，纳米晶Sm2Co17发生β-Sm2Co17向α-Sm2Co17的转变，此实验结果证实了热力学预测。 本文采用将金属纳米晶热力学模型、计算机仿真和实验研究相结合的研究方法，首先从热力学角度对纳米晶的热稳定性给出理论预测，再利用可视化定量化计算机仿真研究纳米晶组织的晶粒长大动力学，然后分别与实验结果相比较，彼此之间的相互验证保证了研究结果的准确性和可靠性。建立的纳米尺度二元合金体系相分析的热力学模型，将金属纳米晶热力学推广到应用更广泛的纳米晶合金热力学领域。合金相的稳定性及其相变规律的模型预测为本研究组开展的实验研究及新型纳米功能材料的研发提供了重要的理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1纳米晶金属与合金的研究概述

1.2纳米尺度热力学的研究进展

1.3纳米晶金属热稳定性的研究

1.4纳米晶合金体系相变行为的研究

1.5本课题的研究意义和主要内容

1.5.1研究意义和目标

1.5.2主要研究内容和研究路线

第2章金属纳米晶热力学特性的模拟计算

2.1金属纳米晶材料的热力学模型

2.1.1纳米晶界的热力学函数

2.1.2纳米晶粒内部的热力学函数

2.1.3整体纳米晶材料的热力学函数

2.2金属纳米晶热力学特性的计算与分析

2.2.1纳米晶界的热力学特性与温度和过剩体积的关系

2.2.2整体纳米晶材料的吉布斯自由能与温度和过剩体积的关系

2.3金属铜纳米晶热力学特性的纳米尺寸效应

2.3.1金属铜纳米晶晶粒尺寸与过剩体积的关系

2.3.2金属铜纳米晶晶格畸变的纳米尺寸效应

2.3.3金属铜纳米晶物性参数的纳米尺寸效应

2.4本章小结

第3章金属纳米晶热稳定性及其演变规律的研究

3.1金属纳米晶热稳定性的模拟预测

3.2金属纳米晶热稳定性演变规律的仿真研究

3.2.1金属纳米晶等温晶粒长大的仿真研究

3.2.2金属纳米晶变温晶粒长大的仿真研究

3.3金属纳米晶晶粒长大的实验研究

3.4本章小结

第4章纳米尺度下二元合金体系中相稳定性的研究

4.1纳米尺度下二元合金体系化合物相的热力学分析模型

4.1.1 Wigner-Seitz半径的求解

4.1.2体膨胀系数的求解

4.1.3德拜特征温度的求解

4.1.4体弹性模量的求解

4.2纳米尺度下Sm-Co合金各化合物相热力学特性的计算与分析

4.2.1 Sm-Co合金体系纳米晶化合物的晶界热力学特性与温度的关系

4.2.2 Sm-Co合金体系纳米晶化合物的晶界热力学特性与过剩体积的关系

4.3 Sm-Co合金体系纳米晶化合物相对稳定性的热力学预测

4.4本章小结

第5章纳米尺度下二元合金体系相变特性的研究

5.1纳米晶Sm2Co17化合物相变特征的模型预测

5.1.1 Sm2Co17化合物两相晶粒内部吉布斯自由能的拟合

5.1.2不同温度下纳米晶Sm2Co17两相吉布斯自由能随过剩体积的变化

5.1.3不同晶粒尺寸纳米晶Sm2Co17两相吉布斯自由能随温度的变化

5.2纳米晶Sm2Co17化合物相变行为的实验研究

5.2.1纳米晶Sm2Co17室温下的相变行为

5.2.2纳米晶Sm2Co17的相变行为随温度的变化

5.3纳米晶Sm2Co7化合物相变特征的模型预测

5.3.1 Sm2Co7化合物两相晶内吉布斯自由能的拟合

5.3.2不同温度下纳米晶Sm2Co7两相吉布斯自由能随过剩体积的变化

5.3.3不同晶粒尺寸纳米晶Sm2Co7两相吉布斯自由能随温度的变化

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

攻读硕士期间的授权专利成果

致谢