PDF《论共晶结构的机理》

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卷第)期0110 年&

0 月 稀有金属材料与工程

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536428379 3(* 4(:8(4428(: 论共晶结构的机理 程开甲, 程漱玉 ;

西北核技术研究所, 陕西 西安 摘要:本文是 6? -@ABC+/-DB*D/@,BE?+FG 电子理论对共晶机理的阐述.

提出了薄膜两组元之间的化学势差和电子密度 差导致系统总能量改变的新思想, 给出了研究稳定共晶态的最佳尺寸和能量的方法. 关键词:6? -@ABC+/-DB*D/@,;

共晶;

内应力;

化学势;

电子密度 中图法分类号:6:文献标识码:3 文章编号:&

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1)B1=1%B1% 收稿日期: 0110B10B0H 作者简介: 程开甲, 男, 中国科学院院士, 西北核技术研究所, 陕西 西安 电子 理论的间界面边界条件, 除了 % 种相材料的化学势应 该相等, 它们的电子密度也应该相等.以往的研究只 考虑了化学势的作用, 而没有考虑电子密度要相等的 重要作用. 在三相材料边界上的表面能或表面张力影响的 近似下, 以往的研究认为共晶结构的稳定性与晶粒尺 寸的大小是无关的, 三相混合总是稳态.实际上两组 分之间的平衡是可能的, 但因为合成相要比两个单相 的混合稳定, 因此与合成相之间不能平衡. 也就是说, 三相交界处各相的化学势差异很大, 使两组分相的混 合与合成物相不能共存.为实现系统的稳定, 晶粒只 有尽可能长大以求边界能极小.为此, 本研究考虑了 更高一级近似―― ― 共晶三相界面能对自由能的贡献, 尽管差异不是很大,也足以影响合成相的形成.根 据分析,作者认为以下几个方面会对共晶结构产生 影响: &

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针对不同的情况, 合成相或者消失, 或者孤立 地存在.后者只是一种普通的化学反应, 本研究将只 讨论完全消失的情况. 0>

相接触小晶粒间电子密度的不同,在间界面 上产生应力并增加界面应力能,其作用范围为 &

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间界面两侧化学势的不同将使电子从界面一 侧迁移到另一侧, 使系统总能减小. =>

上述应力能的增加与电子输运造成的能量减 小之间的平衡决定了相邻晶粒的最佳尺寸. I>

相图的杠杆定律可决定两组元的构成比, 但 不能决定各组元的实际尺度.系统能量的平衡则最 终导致一定厚度的两组元层相间堆叠,即共晶结构 形态. 本研究将利用自由能极小的方法来研究共晶结 构形成的机理. 共晶的相关系 图&

为共晶体的自由能 ! 与组分浓度 的关 系.三相平衡的方程为: R!( #$) R#$ % !( #$) S !( #&

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上式表明三相点上化学势相等, 即间界面上不存 ! 卷 稀有金属材料与工程 #$# ・ ・ %!&

在作用力,此时各种可能尺度的微小晶粒均可能存 在.各组元参量间遵从如下杠杆定律: 式中 是%组分的浓度. 事实上,尽管自由能或化学势差都非常小,但前 所述, 其影响仍存在, 这将在 !, # 节中给予论述. ! 间界面上电子迁移造成的自由能变化 如图 ( 所示,两种材料构成平面间界面,坐标系 的原点设于间界面上. 其中, + , +( 分别为两侧材料的 电子密度;

! ,!( 分别为间界面两侧材料的化学势;

! 为间界面两侧化学势差: 由于间界面上存在的化学势差,电子从间界面 一侧迁移到另一侧,系统能量减小.在此假定两侧 均为金属,能量变化将利用 *+,- 电子理论计算分 析. , ( / . 定义 % ,&