（材料加工工程专业论文）金属液态及非晶态结构分析软件及其结构数据库的开发.pdf

金属液态及非晶态结构分析软件及其 结构数据库的开发 摘要 f 目前，每种x 射线衍射仪都配有一套数据处理软件，但是这些数据处理软件大 都不能对金属的液态及非晶态结构进行分析，浪费了大量的实验数据。因此，有必 要开发一套通用的结构分析软件。 在进行金属液态和非晶态的结构分析时，不可避免的要涉及大量的数据。而目 前还没有金属液态及非晶态结构方面的数据库可以提供这些数据。若在分析时反复 查找这些数据，肯定会影响工作效率。因此，建立金属液态及非晶态结构数据库就 显得十分迫切。斗 本文开发了一套具有自主知识产权的金属液态及非晶态结构分析软件。本软件 可以从x 射线衍射获得的原始强度出发，经过强度的校正和归一化处理，计算出结 构因子，进一步求出金属的分布函数和结构参数。利用d e l p h i 开发工具，在w i n d o w s 平台上开发了该软件。开发过程中引入了数据库的概念，使软件的可维护性、可扩 展性大大增强。骸软件界面友好、使用方便，拓宽了软件的适用范围，可以对 且p a ) l ( m 型0 - o 液态金属x 射线衍射仪、d m a xr b 、d m a xr c 等多种x 射线衍射 仪的强度数据进行分析，通过实际运行验证了该软件的稳定性和计算结果的准确 性。j ， 应用本软件正确的分析了c u t o n i 3 0 合金的液态结构和z r 4 l t i t 4 n i l o c u l 25 b e 2 25 合 金的非晶态结构，说明本软件的设计工作是严谨的，计算是准确的。相信本软件的 应用将为研究金属液态及非晶态的结构提供有益的帮助。 本文将用分布函数计算密度的方法推广。运用此方法正确的计算了1 5 5 0 f e 、 1 5 0 0 cn i 、2 5 0 s n 的密度，说明用分布函数计算密度的方法可以用来计算高温 i i i 液态金属的密度。应用此方法可以研究金属随温度变化时的密度变化规律。 。采用拟合的方法计算非晶合金的结晶度。应用此方法正确的计算了非晶合金 f e 7 46 s i l 5 8 8 72 c u l n b i4 在不同条件下的结晶度。这种方法很容易用程序实现且计算结 果正确，具有一定的推广价值。、 本文基于s q ls e r v e r 2 0 0 0 ，利用流行的数据库应用程序开发平台d e l p h i 建立 了与结构分析软件配套的金属液态及非晶态结构数据库并且开发了该数据库的管 理软件。( 该数据库管理软件具有数据库记录的添加、删除、修改、查询和打印等功 能。其突出之处在于包含了金属的衍射强度、结构因子、径向分布函数和双体分布 函数等数据及其曲线。当需要时，可以随时调出某种合金的相关数据。相信随着数 据库记录的不断充实，本数据库必将在科研工作中发挥越来越重要的作用、l 关键字：液获非晶态，x 射线衍射；结构分析；数据毁 d e v e l o p m e n to fs t r u c t u r a la n a l y s i ss o f t w a r eo f l i q u i d a n d a m o r p h o u sm e t a la n di t ss t r u c t u r a ld a t a b a s e a b s t r a c t n o w a l w a y se v e r yx - r a yd i f f r a c t o m e t e rh a si t so w n d a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e ，b u t t h e s es o f t w a r ep r o g r a m sc a nn o ta n a l y z el i q u i da n da m o r p h o u ss t r u c t u r eo fm e t a l s o ，a l o to f e x p e r i m e n t a ld a t aw e r e w a s t e d t h e r e f o r ei ti sm u c h n e c e s s a r yt od e v e l o p u n i v e r s a l s t r u c t u r a la n a l y s i ss o f t w a r e p r o c e s so f l i q u i da n da m o r p h o u s s t r u c t u r eo fm e t a li n v o l v e sa l a r g ea m o u n to f d a t a u n a v o i d a b l y n o w t h e r ei sn od a t a b a s ea b o u tl i q u i da n da m o r p h o u ss t r u c t u r eo fm e t a lt o p r o v i d et h e s ed a t a s e a r c h i n g t h e s ed a t a i t e r a t i v e l y i n a n a l y z i n gm u s t a f f e c tw o r k e f f i c i e n c y s o ，i t i s i m p e r i o u s t oe s t a b l i s has t r u c t u r a ld a t a b a s ea b o u t l i q u i d a n d a m o r p h o u s m e t a l s t r u c t u r a la n a l y s i ss o f t w a r eo f l i q u i da n da m o r p h o u sm e t a lh a sb e e nd e v e l o p e d ，o f w h i c hw eh a v ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s w i t ht h i ss o f t w a r e ，t h es t r u c t u r e f a c t o rc a nb ec a l c u l a t e db ym e a n so f c o r r e c t i n ga n dn o r m a l i z i n gt h ei n t e n s i t yo fx - r a y d i f f r a c t i o n ，a n df u r t h e rt h ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o na n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fl i q u i da n d a m o r p h o u sm e t a lc a nb eg o t t e n t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e do nw i n d o w sp l a t f o r mw i t h t h e d e l p h id e v e l o p i n gt 0 0 1 d u r i n g t h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s o ft h e s o f t w a r e ，i t s m a i n t a i n a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t ya r ee n h a n c e db yi n t r o d u c i n gd a t a b a s ec o n c e p t i o n t h i s s o f t w a r ew i t ha 衔e m l yi n t e r f a c ec a nb eu s e de a s i l ya n de x p a n d si t sa p p l i c a t i o nr a n g e i t c a nb eu s e dt o a n a l y z e d i f f r a c t i o n i n t e n s i t y m e a s u r e d b yl i q u i d m e t a l s x r a y d i f f r a c t o m e t e rw i t ht y p eo fa p a ) k me - ea n do t h e rt y p eo f x r a yd i f f r a c t o m e t e r , f o r e x a m p l e ，t h et y p e so f d m a xr b ，d m a xr c ，e r e t h i ss o f t w a r e ss t a b i l i t yo fr u n n i n ga n d a c c u r a c yo f c a l c u l a t i n gw e r e v e r i f i e db yi t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nt h i s p a p e r ，l i q u i d s t r u c t u r eo fc u t o n i 3 0a l l o ya n d a m o r p h o u s s t r u c t u r eo f z r 4 i t i t 4 n i t 0 c u l 25 b e 2 25a l l o yw e r ee x a c t l ya n a l y z e db yu s i n go ft h es t r u c t u r a la n a l y s i s v s o f t w a r e ，w h i c hp r o v e dt h a tt h ed e s i g no ft h es o f t w a r ei sp r e c i s ea n dt h ec a l c u l a t i o ni s e x a c t i ti sb e l i e v e dt h a ta p p l i c a t i o no ft h es o f t w a r es h o u l db ev e r yu s e f u li na n a l y z i n g l i q u i da n da m o r p h o u ss t r u c t u r eo f m e t a l m e t h o d c a l c u l a t i n gd e n s i t yw i t hd i s t r i b u t i o nf u n c t i o ni sp o p u l a r i z e d t h ed e n s i t yo f 1 5 5 0 。c f e 、1 5 0 0 c n i 、2 5 0 。c s nw e r e e x a c t l yc a l c u l a t e db y t h i sm e t h o d ，s ot h i sm e t h o d c a r tb cu s e dt oc a l c u l a t ed e n s i t yo f l i q u i dm e t a la n d f u r t h e rr e s e a r c ht h ec h a n g er u l eo f d e n s i t yo fl i q u i dm e t a lw i t hc h a n g i n gt e m p e r a t u r e c r y s t a l l i n i t y o fa m o r p h o u s a l l o y i sc a l c u l a t e dw i t hs i m u l a t i o nm e t h o d t h e c r y s t a l l i n i t y o fa m o r p h o u s f e 7 46 s i l 5s b 72 c u l n b l4 a l l o y i nd i f f e r e n tc o n d i t i o nw a s c o r r e c f l yc a l c u l a t e db yt h i sm e t h o d m e t h o do fs i m u l a t i o ni se a s yt oi m p l e m e n tw i t l l p r o c e d u r e a n di th a s p o p u l a r i z e d v a l u ei nas e n s e b a s e do ns q ls e r v e r 2 0 0 0 ，as t r u c t u r a ld a t a b a s ea b o u tl i q u i da n da m o r p h o u s m e t a lh a sb e e ne s t a b l i s h e d b yp o p u l a rd e l p h id e v e l o p i n gp l a t f o r m f o rd a t a b a s e a p p l i c a t i o na n di t sm a n a g e m e n ts o f t w a r e h a sa l s ob e e n d e v e l o p e d a t et h es a m et i m e t h i s m a n a g e m e n ts o f t w a r eh a st h ef u n c t i o n st oa p p e n d ，t od e l e t e ，t om o d i f y , t oq u e r ya n dt o p r i n tt h ed a t ar e c o r d s i t sa d v a n t a g el i e si ni n c l u d i n gt h ed a t aa n dc u r v eo fd i f f r a c t i o n i n t e n s i t y , s t r u c t u r ef a c t o r , r a d i a ld i s t r i b u t i o nf u n c t i o na n dp a i rd i s t r i b u t i o nf u n c t i o no f m e t a l w h i c hc a nb ec i t e dw h e nn e e d e da ta n ym o m e n t i ti sb e l i e v e dt h a tt h i sd a t a b a s e w i l lp l a ym o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei ns c i e n t i f i cr e s e a r c hw i t l lc e a s e l e s se n r i c hi n r e c o r ds e t so f d a t a b a s e k e y w o r d s ：l i q u i d ，a m o r p h o u s ，x - r a yd i f f r a c t i o n ，s t r u c t u r a la n a l ) , s i s ，d a t a b a s e 第一章绪论 1 1 选题意义 人们在对物质世界的气、液、固三态的认识中，对液态的认识还比较欠缺。 材料大多是在固态下被应用的，尤其是金属材料，而大多数固态金属材料又是由液 态凝固而来的。因此，有必要对材料的液态结构进行研究和分析。非晶态材料具有 优良的机械性能、物理性能和化学性能，正在逐步得到广泛的应用。因此，有关非 晶态材料的研究广泛开展，其中非晶的形成机理一直是人们努力探索的问题，这就 离不开对非晶材料结构的认识。所以，开发通用的金属液态及非晶态结构分析软件 对金属液态及非晶态的结构分析工作将大有裨益。 在进行金属液态和非晶态的结构分析时，不可避免的要涉及大量的数据。而目 前还没有金属液态及非晶态结构方面的数据库可以提供这些数据。若在分析时反复 查找这些数据，肯定会影响我们的工作效率。因此，建立金属液态及非晶态结构数 据库就显得十分迫切。 1 1 1 金属非晶态结构分析的意义 对于自然界中的各种物质，如果人们不以宏观性质为标准，而直接考虑组成物 质的原子模型，就能按不同的物理状态将物质分为两大类：一类是有序结构，另一 类是无序结构。晶体是典型的有序结构，而气体、液体和某些固体( 如非晶态固体) 都属于无序结构。气体是物质的稀释态，液体和非晶态固体是凝聚态。 在稀薄的气体中，分子之间几乎没有任何相互作用，理想气体的分子处于理想 的无序态。液体呈现出一种近程序。通过连续的转变，可以从气态或液态获得非晶 态( 有时也称为无定形或玻璃态) 的固体。非晶态的分子仍像在液体中一样，以相 同的紧压程度，一个紧挨着一个的无序堆积。所不同的是：在液体中，分子很容易 滑动，粘滞系数很小；而在非晶态中，分子就根本不能再滑动了，所以有时它被称 为“凝结的液体”【l 】。 与普通材料相比，非晶材料主要具有以下几个优点【2 。6 1 ： l 、高强韧性：明显高于传统的钢铁材料，可以作复合增强材料，如钓鱼杆等。 山东大学硕士学位论文 国外己经把块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮。非晶合金丝材可以 用在结构零件中，起强化作用。另外，非晶合金具有优良的耐磨性，再加上它们的 磁性，可以制造各种磁头。 2 、优良的磁性：与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序， 没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此损耗低、导磁率高，是优良的软磁材料。 代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁心、传感器、互感器等，可以大大提 高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。非晶合金的磁性能是迄今为止非 晶合金最主要的应用领域。 3 、灵活的处理工艺：和其它磁性材料相比，非晶合金具有很宽的化学成分范 围，而且即使同一种材料，通过不同的后续处理能够很容易地获得所需要的磁性。 所以非晶合金的磁性能非常灵活，选择余地大，方便了电力电子元器件的选材。 4 、简单的制造工艺，节能、环保：以传统的薄钢板为例，从炼钢、浇铸、钢 锭开坯、初轧、退火、热轧、退火、酸洗、精轧、剪切到薄板成品，需要若于工艺 环节、数十道工序。由于环节多，工艺繁杂，传统的钢铁企业都是耗能大户和污染 大户，有“水老虎”和“电老虎”之称。而非晶合金的制造是在炼钢之后直接喷带，只 需一步就制造出了薄带成品，工艺大大简化，节约了大量宝贵的能源，同时无污染 物排放，非常有利于环境保护，因此被称为绿色材料和二十一世纪的材料。 非晶态物质具有上述优异的力学、电学、磁学等性质，因而具有广阔的应用前 景。非晶态物质的各种性能、生成条件、稳定性、驰豫和晶化等均与它特殊的物质 结构有着密切的关系 7 i 。因此，分析非晶态材料的结构对于揭示非晶形成机理起到 积极的促进作用，同时可为非晶材料的性能优化提供科学依据。 1 1 2 金属液态结构分析的意义 液态物质是物质世界的重要组成部分。在液态体系中，原子或分子基本上是均 匀的、无序的分布。而对于液态合金，由于其温度高并且原子间的位置不固定，研 究起来比较困难。但是液态合金的研究非常重要，因为许多金属材料都是通过熔融、 精炼、凝固后制造出来的。对于固态而言。液态是其母态，固态中必然继承了液态 中的某些信息；对于液态而言，固态是其母态，因此液态中也必然保留固态的有益 成分。随着研究的不断深入i 鲋，越来越多的事实清楚的说明，金属材料的宏观性能 山东大学硕士学位论文 主要是由其微观结构组态决定的，而微观结构组态与液态相变前的微观结构密切相 关。因此，分析金属的液态结构对凝固态材料性能的优化起着至关重要的作用。 1 1 3 开发金属液态及非晶态结构数据库的意义 在进行金属液态和非晶态的结构分析时，不可避免的要涉及大量的数据。若在 分析时反复的查找这些数据，肯定会影响我们的工作效率。因此建立一个信息量大、 功能齐全、查询方便的数据库就显得十分迫切。 总之，金属液态及非晶态结构分析软件的开发及应用必将在液态及非晶材料的 研发过程中发挥重要作用；金属液态及非晶态结构数据库的应用必将大大提高科研 人员的工作效率，以机检代替手工的查找，节约不必要的劳动，为金属液态及非晶 态的结构分析和设计提供有益的帮助。 1 2 金属液态及非晶态的结构分析方法 本世纪以来。人们逐渐认识到，物质的各种物理性质是与它们的微观结构密切 相关的。1 9 1 2 年m v o nl a u e 等根据x 射线通过晶体发生的衍射现象，证实了原子 在晶体内是有规则排列的。从此人们对于理想晶体的力学性质、热学性质、电学性 质、光学性质等有了更深入更本质的认识。后来，又发现晶体中的一些缺陷对晶体 的另一些性质起着决定性的作用。这些历史事实说明了结构研究对于了解物理性质 的重要性。为了对材料的各种性质有比较深入的认识，必须对它的结构进行研究。 研究材料的结构，对于了解和改进材料的性质是必不可少的p 】。 人们对材料液态和非晶态结构的认识，远不如对晶态结构的认识那样深入 u o q l l 。关于材料液态和非晶态结构的描述，沿用了统计物理的方法。对于材料液态 和非晶态结构的测定，主要采用分析晶体的衍射分析技术f 1 1 。现有的方法和技术不 一定能够满足液态和非晶态结构研究的需要，因此，关于材料液态和非晶态研究从 手段到方法都还在发展之中。目前研究金属液态及非晶态结构的手段分为实验研究 和理论计算两大类，大致可分为以下几种f 1 2 _ 1 4 】： 1 2 1 散射技术 它包括x 射线、中子、电子的大角度散射和小角度散射。大角度散射是目前测 一一一一 山东大学硕士学位论文 定表征结构径向分布函数的主要方法，它是三十年代开始使用、六十年代以后得到 大发展的。 x 射线衍射可被用来分析金属液态的微观结构。在这种情况下，每个原子的相 干散射振幅都可以用原子散射因子来表示。将液态金属的x 射线衍射强度经偏振、 吸收校正以及傅立叶变换后，可计算出结构因子、径向分布函数和双体分布函数。 由此可以进一步计算得出原子团的尺寸、原子团中的原子数目和配位数等微观结构 参数。 中子散射方法基本上与x 射线衍射法相类似1 5 - t 6 l 。但是两种方法之间存在着重 要的差别。中子相干散射过程可仅用一个与散射角无关的散射参数来描绘。中子散 射强度在大角度时几乎是接近一个常数，这大大帮助了强度归一化的过程。中子散 射强度比x 射线的散射强度小，在实验中必须采用较大的试样。在小角范围内，x 射线衍射比中子散射数据好。 不同原子的电子散射形成因子，。( q ) 对q 的依赖性比x 射线的小，这显示了电 子衍射的优势一对轻元素和重元素具有同样的效果。因此，与x 射线衍射相比，对 于轻元素的低q 区域电子衍射的强度起到了重要的作用。由于电子散射的强度是由 拍摄的图像记录的，获得较高精度的电子衍射强度存在较大的困难。因此，通过衍 射强度计算出的分布函数没有x 射线衍射强度计算的准确。 1 2 2 吸收技术 它包括扩展x 射线吸收限精细结构( e x a f s ) 法和电子能量损失扩展精细结构 ( e x e l f s ) 法，是通过测定吸收限高能侧3 0 1 0 0 0 e v 范围内吸收系数的振荡来确 定短程序的。利用这两种方法，原则上能测定每种吸收原子周围各个原子壳层的距 离和各壳层上每种原子的数目，即径向分布函数，不受合金组元的限制。显然这类 结构数据能完善的表征物质的局域结构，因而是有广阔应用前景的新技术。不过在 现阶段由于其分析方法非常复杂，利用e x a f s 法测定了结构的物质多属结构简单 的材料。 1 2 3 结构模拟技术 这是在无序条件下利用原子间双体势函数和实测的径向分布函数数据来确定 4 生垄奎耋堡圭兰堡垒窒 非晶物质内各种原子的三维空间坐标的一种方法。由于所得到的是原子排列，所以 用它来解释结构灵敏性较径向分布函数有用的多。这个技术在六十年代中期以后有 较大发展。目前，用结构模型来计算的径向分布函数已相当接近于实测值，但方法 还在发展完善之中。 目前，研究材料液态和非晶态结构所用的实验技术主要还是沿用分析晶体结构 的方法，其中，最直接、最有效的方法是通过散射来研究液态和非晶态材料中原子 的排列状况【l ”。在散射实验中，通过测量入射粒子和待测样品中的原子之间的动量 和能量转移，测得散射强度的空间分布，再计算出原子的径向分布函数。然后，由 径向分布函数求出最近临原子数以及最近临原子间的距离等参数，这样就可以描述 出原子排列的情况，表征出材料的结构。 1 3 材料科学数据库的发展现状 材料科学是社会的三大支柱之，材料的信息系统对材料的研究、开发、生产、 推广、使用以及材料科学知识的普及教育起着重要的作用。材料科学数据库作为数 据库技术发展的一个重要分支，自6 0 年代以来已在技术发达国家相继建立。进入 8 0 年代后，数据库已逐步走向网络化、现代化和商品化，对社会和科技领域发挥着 重要的作用，随着材料科学、信息工程和计算机技术的飞速发展，材料科学数据库 系统设计、软件开发以及管理水平将向更高层次发展。目前，发达国家不断提出信 息战略目标，公共数据库建设每年都在飞速发展。其中，材料科学数据库占有重要 的一部分 1 8 - 1 9 1 。 1 3 1 国外材料科学数据库的现状 国外材料科学数据库系统已经成为新型材料开发和现代产品设计的支柱d 9 - 2 3 】。 其种类较多，可分为文献型和数值型，也可分为在线型和离线型。文献数据库主要 以在线方式服务，而数值型数据库则主要在离线方式下使用。信息传播媒体有数据 网、计算机网络和电子出版物，服务范围包括文献索引、实验数据、生产标准、商 业信息、用于c a d c a e 的各种数据信息等。 目前，国外主要的在线材料科学数据库有： 1 、m a t w e b - t h e0 n l i n em a t e r i a l si n f o r m a t i o nr e s o u r c e ( a u t o m a t i o n c r e a t i o n s ，i n e ) 2 、c i n d a s ( t h ec e n t e rf o ri n f o r m a t i o na n dn u m e r i c a ld a t aa n a l y s i sa n ds y n t h e s i s l 3 、s t n i n t e r n a t i o n a l ( t h es c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a li n f o r m a t i o nn e t w o r k ) 4 、c h e m i s t r ya n dm a t e r i a l s ( n a s as c a n ) 5 、c d so n - l i n e ，t h ec h e m i c a ld a t a b a s eo n l i n e ( t h eu kn a t i o n a ld a t a b a s es e r v i c e ) 6 、av i s u a li n t e r p r e t a t i o no f t h et a b l e o f e l e m e n t s ( c h e m i s t r ys o c i t i e sn e t w o r k ，u k ) 7 、w e b e l e m e n t s ( a t t h eu n i v e r s i t yo f s h e f f i e l d ，e n g l a n d ) 8 、乙a n lp e r i o d i ct a b l eo f t h ee l e m e n t s 9 、i n o r g a n i cc r y s t a ls t r u c t u r ed a t a b a s e ( i c s d ) d e m o ( a tf i zk a r l s r u h ea n dg m e l i n i n s t i t u t ef r a n k f u r t ) 10 、n a t i o n a l p h y s i c a ll a b e r a t o r y d a t a b a n kf o r m e t a l l u r g i c a lt h e r m o c h e m i s t r y ( m t d a t a ) ( a t n a t i o n a lp h y s i c a ll a b o r a t o r y ，t e d d i n g t o n ，m i d d l e s e x ，u k ) 1 1 、d a t a - f r e e - w a y f o rn u c l e a rm a t e r i a l s ( a tn a t i o n a lr e s e a r c hi n s t i t u t ef o rm e t a l s ，j p ) 1 2 、m a t e r i a l si n f o r m a t i o no nt h ei n t e r n e tb yk t h 13 、s t e e l m a k i n ga n ds t e e l - r e l a t e d ( s t e e l y n x ) 1 4 、n a s a 15 、m a r t i n d a l e st h e r e f e r e n c e d e s k ) 1 6 、w o r l dc e n t e rf o rm a t e r i a l sj o i n i n gt e c h n o l o g y ( t w i ) 1 7 、a m p t i a c 18 、p a t e n t ss e a r c hi i i i b md a t a b a s e 1 9 、m a t w e b 2 0 、p r i n c i p a lm e t a l s 21 、m e m sm a t e r i a ld a t a b a s e 2 2 、c e n b a s e m a t e r i a l s 2 3 、j r cp e t t e nm a t e r i a l sd a t ab a n k 2 4 、n i s td a t a 2 5 、n i s to n l i n er e f e r e n c ed a t a b a s e s 2 6 、a s m 2 7 、c a m b r i d g e m a t e r i a l ss e l e c t o r ，g r a n t ad e s i g nl i m i t e d 国外材料数据库已经成为实验研究和产品设计的支柱，针对不同领域及方向已 6 一一一 山东大学硕士学位论文 经开发了许多专业材料数据库，减少了重复劳动，降低了研究成本，对新材料的开 发及推广起到了有益的促进作用【2 4 之5 1 。 1 3 2 国内材料科学数据库的现状 8 0 年代以来，我国的数据库如雨后春笋般兴起 2 6 - 2 7 】，其中建立最多、发展最快 的是材料科学数据库。据不完全统计，目前我国已建和在建的材料科学数据库有2 5 个，分布在科研、高校和工厂等单位，以工业部门工程材料科学数据库最多。我国 材料科学数据库的主要进展和特色是：航空数据库向多用途、高层次发展：c a d 的 机械工程材料数据库已建成；高技术新材料数据库初步建成。 虽然我国材料科学数据库相对来讲发展的比较快，但是在发展过程中也存在着 一些问题1 2 8 3 3 1 。主要表现在：数据库规模小、服务质量差、标准化的工作不及时、 投入少产值低、学科发展不平衡、商业化程度不高、低水平重复现象严重等。 近十年来，美、日等国对液态新材料及非晶合金的研制迅速发展，在进行合金 液态及非晶态的结构分析时，不可避免的要涉及大量的数据。若在分析时反复的查 找这些数据，必将是一项繁琐而低效的工作，而目前并没有成为产品的合金液态和 非晶态的结构数据库可以引用，因此建立一个信息量大、功能齐全、查询方便的合 金液态及非晶态的结构数据库就显得尤为重要。 1 4 本课题的主要研究内容、创新点及难点 1 4 1 主要研究内容 本课题的研究内容是根据金属液态及非晶态的x 射线衍射数据处理理论开发 一套具有自主知识产权的金属液态及非晶态结构分析软件，同时根据科研需要建立 一个与结构分析软件配套的金属液态及非晶态结构数据库。该软件主要用d e l p h i 进行编程，其具体模块如下。 金属液态及非晶态结构分析模块主要包括： 1 、结构因子( 干涉函数) 和分布函数的计算： 2 、金属液态及非晶态结构参数的计算： 3 、非晶合金结晶度的计算； 7 山东大学硕士学位论文 4 、液态金属密度的计算。 金属液态及非晶态结构数据库主要包括： l 、常用元素及其分析参数； 2 、用于金属液态及非晶态结构分析的相关曲线及其结构参数； 3 、金属液态及非晶态参考文献汇编。 1 4 2 创新点及难点 创新点： 1 、开发了一套具有自主知识产权的金属液态及非晶态x 射线衍射结构分析软件及 与之配套的金属液态及非晶态结构数据库。 2 、基于w i n d o w s 环境下面向对象设计程序，用户界面友好、操作简便、扩展性能 好、通用性好，可以对1 p a ) k m 型o - o 液态金属x 射线衍射仪、d m a x r b 、d m a x 庀等多种x 射线衍射仪的数据进行分析；程序设计过程中引入数据库概念，使软 件的可维护性大大增强； 3 、金属液态及非晶态结构数据库中含有用来分析金属结构的相关曲线及其数据， 为后来的分析提供方便。 难点： l 、x 射线衍射强度的校正问题； 2 、数据库内的图象数据存储问题。 第二章纯金属液态及非晶态的x 射线衍射理论 经过研究者的不懈努力，x 射线衍射理论已经趋向于成熟【1 4 】【3 4 1 。为了本文理解 的方便，这里给出主要的公式并介绍重要的术语和符号。 对于固定的原点来说，液体的结构是表述不出来的，因为原子不断运动。不过， 液体和非晶体相对于一个参比原子来说，是有确定的结构的。这种类型的结构用径 向分布函数4 万2 p ( r ) 来表示，4 刀2 p ( r ) d r 是距平均原子中心为，和r + d r 的球壳内 的平均原子中心数，而p ( r ) 是距离原点为r 处的平均原子密度，它是样品内以每一 原子为中心求出来的平均密度。 选取内部原子是无规堆积的物质作为试样，经过推导得到一个普适方程式： 乇= z 。z 。j f 詈 协1 ) 式中，。是以电子为单位的试样散射强度；厶、 分别为m 种原子和n 种原子的 散射因数；s 为衍射矢量，j ：4 n _ s i n ；为m 种原子与n 种原子之间的矢量差。 在只含有一种原子的物质的情形，若n 为总原子数，则式( 2 - 1 ) 变成： ，e ”= e 。s i n 。r m $ r 。m _ ( 2 2 ) 在对式( 2 - 2 ) 求和时，可以把任一原子作为参考原子。当m = h 时，k 。哼0 ， s i l l s r m n 斗1 ，故式( 2 2 ) 可写成： k = 叭1 + 季i s i l l s r j n n ) ( 2 3 ) 其中m 。表示m ，即求和中不包括原点原子。现在距离参考原子的距离r 处的单 位体积内原子数为p ( r ) ，而半径为r 和厚度为咖的球壳内所含原予数为 4 2 p ( r ) d r 。这时参考原子周围的原子分布可以看作是连续函数，因此求和号可用 积分代替： l = 可2 ? 4 时) 半毋i 沼4 ) 山东大学硕士学位论文 令几为试样的平均原子密度，加上和减去包含成的项，口 得： l = 彤2 l + ? 4 万2 l d ( r ) 一成s l n 。，s _ _ 1 7 办+ f ? 4 z2 成s i n j ，s _ _ _ r _ r 办 2 5 ) 式中最后一项积分代表具有严格均匀电子密度的假想物体所散射的强度，这种物体 的散射只发生在小角度上，在曰 3 0 时就可以忽略，在目 3 ) ，则吸收因数基本上与散射 角无关 4 ( 臼) = ( 4 6 ) i 如果样品较薄，则反射法的吸收因数为： ，一生 4 ( 口) = 粤盟 ( 4 7 ) f 透射法的吸收因数为： 删) = i 岛 ( 4 - 8 ) 将求出的b ( 2 0 ) 、p ( 2 0 ) 和4 ( 口) 代入到式( 4 - 1 ) 中，即可得到经过了空气散射 校正、偏振校正和吸收校正的样品的总散射强度“2 p ) 为： m z 啦篱pl 剀。以j ( 4 9 ) 一 山东大学硕士学位论文 4 2 衍射强度平滑处理、坐标转换及插值 对校正后的衍射强度采用式( 4 一1 0 ) 所示的五点滑动平均法进行平滑处理。然 后利用s = 鱼专业的对应进行衍射强度的坐标转换，即将i i ( 2 转换成州s ) ，然后 利用式( 4 1 1 ) 所示的一元三点插值法对平滑后的衍射强度进行插值处理。插值间 距血要在0 0 1 5 0 0 5 h 。之间选取。 y ：= 万1 【- 3 ( + y m ) + 1 2 ( 岫+ ) + 1 7 咒】 _ y ：= 7 去( 6 9 y o + 4 y i - 6 y 2 + 4 y 3 - y 4 ) y ：= 3 去( 2 y o + 2 7 y l + 1 2 y 2 8 y 3 + 2 y 4 ) ( i - 2 ，3 ，m 一2 )( 4 1 。) y ：一= 3 - 去( 2 y _ 4 - 8 y m - 3 + 1 2 y 。一：+ 2 7 _ y 。+ 2 y 。) y ：= 7 去( - y - 4 “y m - 3 - 6 y m - 2 + 4 y ，- 1 + 6 9 y ，) m k + 2 陲1 + 2i x x j y ( 4 1 1 ) 2i：i：!：糍yt+i；：=(xi二-jxjk)页(；x：-鬲xi,2)xx k + 2y t “+ i i ! ；i 糌x k + l y t + z ( x 女一女+ 1 ) ( x 一z t + 2 ) 。( x “i x t ) ( x t + l 一 ) 州 ( x i + 2 一x i ) ( x l + 2 一 ) 。+ 2 下图4 1 、图4 2 和图4 3 是按照以上原理设计的金属液态及非晶态结构分析软 件的主窗体、偏振和吸收校正窗体和校正强度的平滑、插值窗体。 2 堂奎奎堂堡主耋堡垒塞 图4 1 金属液态及非晶态结构分析软件主窗体 f i g u r e4 1m a i nf o r mo f s t r u c t u r a la n a l y s i ss o f t w a r ef o rl i q u i da n da m o r p h o u sm e t a l 图4 2 金属液态及非晶态结构分析软件强度校正窗体 f i g u r e4 2f o r mr e v i s i n go f s t r u c t u r a la n a l y s i ss o f t w a r e f o rl i q u i da n da m o r p h o u sm e t a l 些奎奎童堡圭耋丝垒塞 图4 3 金属液态及非晶态数据处理软件强度平滑、插值窗体 f i g u r e4 3f o r ms m o o t h i n ga n di n s e r t i n go f s t r u c t u r a la n a l y s i s s o f t w a r ef o rl i q u i da n da m o r p h o u sm e t a l 上图4 1 所示窗体的主要功能是打开衍射强度数据文件，并将强度数据转换成 曲线的形式显示在窗体上，该窗体左边的编辑框显示强度数据文件内包含的文件位 置、试样名称、试样序号、试验e t 期，试验人员，实验条件，样品密度、样品成分 等信息。图4 2 所示窗体为衍射强度校正窗体，需要说明的是，其中的偏振校正可 根据试验方式的不同按照不同的表达式进行计算。图4 3 所示窗体为校正强度的平 滑、插值窗体，其采用的平滑、插值方法是上式( 4 1 1 ) 和式( 4 1 0 ) 所描述的方 法。如果你对一次插值结果不满意，可以多次选择不同的插值区间进行插值。 4 3 原子散射因子的计算 原子在某一方向上散射波的振幅用原子散射因子来表示，其意义是某种原子散 射能力的大小。原子散射因子既可在国际x 射线晶体学数据表中查出“1 ，也可由 c r o m e r 的解析表达式求出【4 3 i 。 出丕盔堂亟士学位论文 f ( s ) 2 静e x p ( - e 扫+ c ( 4 - 1 2 ) 式中，一，、县和c 为常数，其数值如下面图4 4 所示，更加详细的资料可以在文献 4 2 】中查到。 试样中的平均原子散射因子为 ，、 = c l ，2 ， 2 = l c ，：l ，c 。和，分别为各类原子的分数和原子散射因 i 子。 圈4