（材料加工工程专业论文）铝合金的熔体结构及其遗传性研究.pdf

山 东大学博士学 位论文 一 铝 合金的 熔体结 构及其遗 传性 研究 摘要 利用高温熔体x 一 射线 衍射仪实验研究了 a l - f e , a l - s i 等合金的 熔 体 结构参数，如团簇尺寸( c l u s t e r s iz e ) 、 原子间距( n e a r e s t n e i g h b o r d i s t a n c e ) 、 配 位数( c o o r d i n a t i o n n u m b e r ) 、 平 均原子密 度( a v e r a g e a t o m i c d e n s i t y ) 、 相干函 欲( i n t e r f e r e n c e f u n c t i o n ) 、 双 体分 布函 数 ( p a i r d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n ) 等物理量 及相关函 数; 利用分子动 力学 模拟方法 考察了 a l - f e 合金熔体在不同的冷却条件下熔体中 微观结构的 演化规律及其结构遗 传性。 了 铝合金变质的熔体结构因素，揭示了 金属变质的结构实质。 质元素s r 具有削弱液态a l - s i 合金中s i - s i 共价键的倾向使得 合金液中的s i - s i 原子集团的 尺寸与数目 减小， a i - a l 原子集团数目 增 加， 从而抑制了s i 相的 优先析出，强化了a l 相形核。a l - 1 2 .5 % s i 合 金 熔 体在加s b 后的 结 构因 子曲 线的 第一 峰降 低， 在小q 处出 现了 预 峰， 该峰在温度足够高时消失， 说明 熔体中 加入s b 后出 现以a s b 为中 心 的s i - s i 中 程有序结构原子集团。加s b 的a l - 1 2 .5 % s i 合金熔体径向 分 布函数分解的结果表明， 熔体中s i 原子集团得到强化。 合金d s c分析 结果表明， 加s b 后的 过冷 度变 小。 这些 结果证明s b 增加了a l - 1 2 . 5 % s i 合金熔体中s i 原子的有序性， 促进共晶s i 相的 形核。 发现 a l - f e 合 金熔 体中 ， 不仅存在短 程有 序结 构，而 且 存在中 程有 序结构， 建立了 中程有序结构模型。确立了 a l - f e 合金熔体结构与相图 之间的内 在联系.a l - f e 合金系中，1 2 .7 5 - 8 7 .4 0 % f e 的成分范围内的合 p金 熔 体 中 存 在 中 程 有 序 结 构 ， 相图 中 f e 2 a 1 5 处 的 中 程 有 序 结 构 衍 射 强 度 1 最 高 。 该 合 金 系 熔 体 的 中 程 有 序 结 构 是 异 类 原 子 优 先 配 位 的 结 果 。 在 富 a l 的区 域，中 程有序的 本质是f e - f e 之间的 相关性，在富 f e 的区 域 内， 则是a 1 - a i 之间的相关性，在等原子比 成分附近则是f e - f e 与a l - a l 相关性的混合。 摘要 =一= = = = = = = = = = = = ， = 通 过 分 子 动 力 学 模 拟， 发 现a 13 f e 合 金 在 冷 却 过 程中1 4 2 1 . 1 4 2 2 . 1 4 3 1 键型 对 温 度不 敏 感， 高 温 熔 体中 的 这些 键型 遗 传到了 低温 状 态 ， 体 现了 高 温 状态 对 低温 状 态 结 构的 遗 传性， 但 其它 键型 在 随 后的 冷 却 中 均 发 生了 数 量 上的 变 化 ， 表 现出 结 构的 变 异 性 。 f e 3 a 1 熔 体中 的 键 型 在 冷 却 条 件下 对温 度不 敏 感 ， 体现了 结 构的 变 异 性。 f e 5 o a 15 。 合 金 熔 体 中 结 构的 演化 也主要 表现出 结 构的 变 异性 ， 在 演化过程中 遗 传性虽 然 存 在 ， 但 不占 主 导 地 位。 熔 体在 形成 非 晶时 ， 体系中 产生了 二 十 面 体。 二十面 体是由十三个原子构成( 一个位于中心) . 热 速处理对共晶 a 1 - s i 合金中 共晶s i 有明显的变质作用， 采用热速 处理工艺以 后， 大部分共晶 s i 由 原来的针片状变成点球状， 且力学性能 与钠盐变质处理相当。热速处理工艺对a l - s i 合金中的初晶s i 及z l 1 0 8 合金中的f e 相杂质有明显的细化作用。a l - 1 8 % s i 合金中初晶硅平均尺 寸 为7 0 -8 0 u m ， 将合金过热至1 0 0 0 进行热速处理后， 初晶 硅尺寸大 部分减少至3 0 -4 0 p m 。 同一合金， 热速处理与通常熔炼条件相比， 抗 拉强 度提高了 1 0 -1 5 % 。 随着处理时的熔体温度的提高， 粗大针状、 花 朵状的f e 相逐步变成颗粒状和球状。 通过采用热速处理工艺，获得了 a 1 8 5 n i ,o c e 5 合金3 0 0 t m的非晶薄 带， 其双体分布函数第一峰的峰位随着温度的升高不断增大，在1 0 0 0 到1 1 0 0 的温度区间内原子间距发生突变，当温度从9 0 0 升高至 1 2 0 0 的过程中， 合金熔体的配位数从1 2 减少至9 ，随着原子平均距离 的 增加，结晶 形核将受到更大的阻力，因此过热温度的增加，非晶 形 成能力将得到增强。这充分体现了 熔体结构对非晶形成的结构遗传效 应 。 1 关健词:原子团簇，金属熔体结构，分子动力学模拟，铝合金 山 东大学博士学 位论文一 铝合金的 熔体结构及其遗传性 研究 ab s t r a c t t h e s t u d y o f t h i s w o r k f o c u s e s a tt e n t i o n o n t h e s t r u c t u r a l f a c t o r s o f t h e m e l t f o r a l - f e a n d a l - s i a l l o y s , s u c h a s t h e c l u s t e r s i z e , t h e n e a r e s t n e i g h b o r d i s t a n c e , t h e c o o r d in a t i o n n u m b e r , t h e a v e r a g e a t o m i c d e n s it y , t h e i n t e r f e r e n c e f u n c t i o n , t h e p a i r d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n a n d t h e r e l a t e d f u n c t i o n b y u s i n g a h i g h t e m p e r a t u r e x - r a y d i f f r a c t o m e t e r . t h e e v o l u t i o n o f m i c r o s t r u c t u r e a n d i t s h e r e d it y o f l i q u i d m e t a l s h a v e b e e n s t u d i e d勿 a m o l e c u l a r d y n a m i c s s im u l a t i o n m e t h o d u n d e r t h e d i f f e r e n t c o o l in g c o n d i t i o n s . t h e s t r u c t u r a l f a c t o r s o f m o l t e n a 1 a l l o y s m o d i f i e d b y s r a n d s b h a v e b e e n s t u d i e d i n t h i s wo r k . t h e s t r u c t u r a l e s s e n c e h a s b e e n r e v e a l e d f o r t h e s t u d y o f t h e m o d i f i c a t i o n o f m e t a l s . i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e m o d i f y i n g a g e n t s r c a n w e a k e n t h e c o v a l e n c e b o n d o f s i - s i c l u s t e r s i n t h e a l - s i m e l t s , r e d u c e t h e s iz e a n d t h e a m o u n t o f s i - s i c l u s t e r s , r e s t r a in t h e s e g r e g a t i o n o f s i a t o m s i n m e lt a n d s t r e n g t h e n t h e n u c l e a t i o n o f a 1 p h a s e . t h e f i r s t p e a k o f s ( q ) o f e u t e c t i c a l - s i a l l o y l o w e r e d w i t h a d d in g s b e l e m e n t ; a t t h e s a m e t i m e , t h e r e w a s a p r e p e a k o n t h e s ( q ) , w h i c h d i s a p p e a r s w h e n t e m p e r a t u r e i s h i g h e n o u g h . t h e p r e p e a k m e a n s t h e e x i s t i n g o f m e d i u m - r a n g e o r d e r o r c h e m i c a l o r d e r i n t h e m e lt . t h e g a u s s i a n s e p a r a t i o n o f r d f o f m e l t w i t h a n d w i t h o u t s b a d d i t i o n i n d i c a t e s t h a t s b c a n s t r e n g t h e n t h e s i c l u s t e r s i n t h e e u t e c t i c a l l o y . d s c a n a ly s i s s h o w s t h e s u p e r c o o l in g t e m p e r a t u r e b e c o m e l e s s w i t h s b a d d it i o n . t h e s e m a k e i t c l e a r t h a t s b c a n w i d e n t h e o r d e r r a n g e a n d p r o m o t e t h e n u c l e a t i o n o f s i p h a s e i n t h e c o o l i n g p r o c e s s . i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e r e a r e n o t o n l y s h o r t- r a n g e b u t a l s o m e d i u m - r a n g e o r d e r s t r u c t u r e s in m o l t e n a 1 a l l o y s . t h e t h e o r e t i c a l m o d e l f o r t h e m e d i u m - r a n g e o r d e r s t r u c t u r e h as b e e n p re s e n t e d i n t h i s w o r k . t h e m 。 r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m e lt s t r u c t u r e a n d p h a s e d i a g r a m f o r t h e a i - f e a l l o y i s a l s o d e s c r i b e d . t h e r e a r e m e d i u m - r a n g e o r d e r s t ruc t u r e s i n t h e r a n g e fr o m 1 2 .7 5 % f e t o 8 7 .4 % f e f o r t h e a l - f e a l l o y . t h e d i ff r a c t i o n s t r e n g t h o f t h e m e d i u m - r a n g e o r d e r a t t h e f e 2 a i 5 i s a t t h e b i g g e s t v a l u e in t h e p h as e d i a g r a m . t h e m e d i u m - r a n g e o r d e r s t r u c t u r e o r i g i n a t e s fr o m t h e p r e f e r e n t i a l c o o r d i n a t i o n o f d i ff e re n t a t o m s i n t h e a l l o y m e l t . t h e o r i g i n o f t h e p r e p e a k i s t h e f e - f e c o r r e l a t i o n i n t h e a l r i c h a l l o y s , o r t h e a l - a l c o r r e l a t i o n i n t h e f e r i c h a l l o y s , o r t h e i r m i x t u r e a r o u n d a 1 5 0 f e 5 o a l l o y . i t h as b e e n f o u n d fr o m a m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n m e t h o d t h a t t h e b o n d p a ir s 1 4 3 1 , 1 4 2 1 a n d 1 4 2 2 a r e n o t s e n s i t i v e t o t e m p e r a t u r e d u r i n g t h e q u i c k c o o l i n g p r o c e s s a s t o t h e m e l t a 1 3 f e . t h e s e b o n d p a i r s a t h i g h t e m p e r a t u r e a r e s u c c e e d e d b y t h e s t a t e a t l o w t e m p e r a t u r e , w h i c h e m b o d i e s t h a t t h e s t r u c t u r e a t l o w t e m p e r a t u r e c o n t a in s m i c r o s t r u c t u r e a t h i g h t e m p e r a t u r e . o t h e r b o n d p a ir s t h a n 1 4 3 1 , 1 4 2 1 a n d 1 4 2 2 h a v e v a r i a t i o n s in s t r u c t u r e d u r i n g s u b s e q u e n t c o o l i n g p r o c e s s . t h e b o n d p a i r s i n m e l t f e 3 a 1 a r e a l l s e n s i t i v e t o t h e t e m p e r a t u r e , w h i c h e m b o d i e s t h e v a r i a b i l ity i n s t r u c t u r e o f t h e m e l t f e 3 a 1 . t h e h e r e d i ty i s n o t c l e a r i n m e l t f e 3 a i s y s t e m . t h e m i c r o s t ru c t u r e o f m e lt f e 5 0 a 1 5 0 m a i n l y e m b o d i e s t h e v a r i a t i o n d u r i n g q u i c k c o o l i n g p r o c e s s . d u r i n g t h e p r o c e s s t h e h e r e d ity i n d e e d e x i s t s , b u t i s n o t t h e m a j o r a s p e c t . wh e n m e t a l l i c g l a s s e s e x i s t i n t h e m e l t , t h e i c o s a h e d r a c l u s t e r , w h i c h i s c o m p o s e d o f t h i rt e e n a t o m s ( o n e i n t h e c e n t e r ) , i s f o r m e d i n t h e s y s t e m t h e t h e r m a l - r a t e t r e a t m e n t t e c h n o l o g y h as a g r e a t e f f e c t o f m o d i f i c a t i o n o n t h e e u t e c t i c s i l i c o n i n e u t e c t i c a i - s i a l l o y . t h e m o s t o f e u t e c t i c s i l i c o n c h a n g e s fr o m p l a t e f o r m t o n o d u l e f o r m a n d t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e a l l o y a r e a l m o s t e q u a l t o t h a t o f m o d i f i e d a l l o y t h r o u g h t h e t h e r ma l - r a t e t r e a t me n t . t h e t h e r ma l - r a t e t r e a t me n t h as a l s o r e f i n e me n t t o t h e p r i m a ry s i l i c o n i n e u t e c t i c a i - s i a l l o y a n d t h e i r o n c o m p o u n d s i n z l 1 0 8 . t h e a v e r a g e s i z e o f p r i m a ry s i l i c o n i n t h e a i - 1 8 % s i a l l o y i s a b o u t - n - 山 东大学博士学 位论文一 铝合金的熔 体结 构及其遗 传性研究 7 0 - 8 0 u m . t h e s i z e o f p r i m a ry s i l i c o n c h a n g e s in t o 3 0 - 4 0 la m a ft e r t h e a l l o y w a s h e a t e d t o 1 0 0 0 a n d b y t h e t h e r m a l - r a t e t r e a t m e n t . t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e a l l o y t r e a t e d b y t h e r m a l - r a t e t r e a t m e n t i n c r e a s e d b y 1 0 - 1 5 % a s c o m p a r e d w it h t h e n o r m a l m e lt c o n d i t i o n . wit h i n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e o f m e l t , t h e b i g n e e d l e f o r m o f i r o n c o m p o u n d s c h a n g e s i n t o n o d u l e f o r m . t h e t h i c k n e s s 3 0 0 l m o f a m o r p h o u s r i b b o n o f t h e a l l o y i s o b t a i n e d u s in g a s i n g l e r o l l e r m e l t - s p i n n i n g t e c h n i q u e 妙t h e t h e r m a l - r a t e t r e a t m e n t . a t a s a m e q u e n c h i n g c o n d i t i o n , t h e t h i c k n e s s 5 0 tm o f a m o r p h o u s r i b b o n o f t h e a l l o y i s o b t a in e d a t c o n v e n t i o n a l m e l t s u p e r h e a t i n g c o n d i t i o n . t h e e x p e r i m e n t s h o w s t h a t t h e c o o r d i n a t i o n n u m b e r s o f t h e a 1 8 5 n i , o c e 5 a l l o y m e lt d e c r e a s e s fr o m 1 2 t o 9 w h i l e t h e m e lt t e m p e r a t u r e i n c r e a s e fr o m 9 0 0 t o 1 2 0 0 .wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e n e a r e s t a t o mi c d i s t a n c e t h e n u c l e a t ep r o c e s s i ngme e t s mo r e s u p e r h e a t t o in c r eas es b i g g e r r e s i s t a n c e . t h e r e f o r e t h e i n c r e a s e o f t h e g l a s s f o r m i n g a b i l i ty . t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e m e l t s t r u c t u r e h a s t h e h e r e d i ty e ff e c t o n t h e g l a s s f o r m a t i o n . k e y wo r d s : a t o m i c s i m u l a t i o n , a l u mi n u m c l u s t e r s , me l t s t r u c t u r e s , mo l e c u l a r d y n a l l o y s 只nt i cs 、 _ v 本文的主要创新点 . 一一一=二=二=二 二 尸 本文的主要创新点 1 . 首次揭示了 合金组织变质的熔体微观结构本质， 提出了 合金变质 的微观结构理论。 该理论认为， a l - s i 合 金熔 体中 加入s r 使s i - s i 共 价键 削 弱， s i - s i 原子 集团 尺寸与 数目 减小， 抑制了s i 相的 优先析出 ， 增加了 共 晶 硅凝固 的 过 冷 度， 从而 使得 共晶s i 相得到变 质. a l - 1 2 .5 % s i 合金熔体在 加s b 后的 结 构因 子曲 线的 小q处出 现预 峰， 表明s b 在熔 体中 加强了 s i 原子间的 联系， 形成以a l s b为中 心s i - s i 中 程有序原子集团， 促进 了 共晶s i 相的 形核。提出变质遗传的理论，即固体的变质组织源于液 体结构，受制于凝固过程， 体现于熔体微结构的遗传效应。 2 .建立了 铝合金熔体中 程有序结构模型，发现铝熔体中 程有序结构 与合金化合物形成有关， 提出了中 程有序团簇结构具有遗传性的理论。 a l - f e 系熔体在一 定的条件下存在中程有序结构;当 合金成分一定时， 这种中 程有序结构的 存在和消失与温度有关。 3 . 发现了 液体 a l - f e 合金的结构与其相图 之间的密切相关性，证明 在相图上高熔点金属间化合物存在的区 域内，合金熔体的化合物形成 能 力即 预峰高 度较大;化合物 形成能 力最大值 所在处 a 1 5 f e : 的 熔点最 高 . 在 不同 的 成 分区 间 熔 体中 存在a l . a 17 f e . a l5 f e 2 . f e 3 a 1 和f e 的 原子微观集团。通过对金属间化合物a 1 5 f e : 的 液态与固态x射线 衍射 结果的对比，找到了 液态及固态结构之间的内 在联系。 4 . 通过分子动力学模拟， 揭示了 金属微观结构遗传与变异的结构本 质。 发现a 1 3 f e 合金在冷却 过程中1 4 2 1 . 1 4 2 2 . 1 4 3 1 键型对温 度不敏 感，高温熔体中的这些键型遗传到了 低温状态， 体现了 低温状态对高 温状态结构的遗传性，但其它键型在随后的冷却中均发生了 数量上的 变 化， 表现出 结构的变异性。 f e 3 a l 熔体中的 键型 在冷却条件下 对温度 很不敏感， 体现了 结 构的变 异性。 f e 5 o a 1 5 。 合金熔体中 结构的演化也 : 主 要表现出 结构的变异性， 在演化过程中 遗传性虽然存在， 但不占 主导地 山东大学博士学 位论文 一铝合金的熔体结构及其遗传性研究 位 5 . 发 现 热 速 处 理 工 艺 能 提 高 合 金 非 晶 形 成 能 力 ， 利 用 该 工 艺 获 得 了 a 8 5n i ,o c e s 合 金 3 0 0 l m 的 非晶 薄 带 ， 并 发 现 在1 0 0 0 到1 1 0 0 c 的 温 度 区间内 原子间 距发生突变 ; 当 温度从 9 0 0 升高至1 2 0 0 的过程中 ， 合 金熔体的配位数从1 2 减少至9 ， 随着原子平均距离的 增加， 结晶 形核将 受到更大的阻力。找到了过热温度与非晶 形成能力的内 在联系，提出 了 熔体结构对非晶 形成的结构遗传效应理论。 山 东大学博士学 位论文一铝合金的 络体结构及其透传性研究 第一章 绪 论 1 . 1 选 题出 发点 金属材料工作者早已 发现，在合金成分配比 和铸造工艺 相同的情 形下， 铸件的 组织与 性能 会出 现 较大差别 t , 2 1 ， 产生 这种差 别的 原因 很 难从凝固过程工艺参数的选择来解释，往往需要追究凝固之前熔体的 结构与状态，从中寻找合金性能与组织变化的原因。 随着现代科学技术的 发展，人们对金属的固相结构与组织有了 相 当 深入的了 解与认识， 发展了 几何晶 体学，可以 从原子分子层次上来 表征金属晶体的结构。 法国晶 体学家b r a v a i s 的 研究表明， 从实际晶 体 结 构抽象出 来的空间 点阵 的阵 胞( 空间 点阵的 基本单 元) 有1 4 种， 这 些空间阵点所代表的晶 体的结构单元，以各种不同方式组合与排列， 最终构成自 然界中千变万化的 各种晶体。在电子显微镜、透射电 镜及 高分辨显微镜等现代分析测试手段的帮助下，人们可以 清楚地观察到 金属晶 体在常温下的组织与原子或分子的排列结构特征。 另外， 由b o h r 结合原子光谱的 规 律性， 发 展了p l a n k的 量子 概念， 又由h e i s e n b e r g 提出 测不准原理， 由d i r a c 总结出来的量子力学， 用波函数来描述微观 粒子的 运动，即电 子在金属原子中的运动规律，从而认知金属表观性 质 的 内 在 原 因 3 1 然而到目 前为止，我们对液态金属的了 解相对固态要少得多。这 是因 为多数金属具有很高的 熔点，有关 金属熔体的 性质不易测量;同 时 金属液 体具有特殊的无序结 构，即有短程序， 而没有金属晶 体中的 长程序，奠基于空间点阵基础上的传统固 体物理学与固体化学理论对 它已 失效。确定液态金属结构中的短程序的方法有如下几种:散射技 术，吸收技术， 核物理技术，结构模拟技术。大角度散射技术是目 前 表征液态结构径向 分布函数的重要方法。x射线衍射又是一种运行成 本低、 精确度高的方法4 1 。 值得一提的是， 不仅在液态金属方面， 而且 第一章绪论 在液态物理方面，我国的 研究都很薄弱， 很多 基本的物理问题，正敞 开其门，等待我们去解决5 1 材料科学中出现的一些新现象和新问 题也迫切要求人们对液体结 构有一个全面的 认识。 例如: 本世纪二十 年代， 法国学 者l e v i 6 1 在题为 h e r e d it y i n c a s t ir o n ”的 论文中 指出 ， 在 化学 成 分 及 铸 造 条 件完 全 相 同的情况下， 铸铁的机械性能有很大差异，这种现象只能用铸铁中 存 在遗传性这一 概念来解释。他认为原料生铁中 粗大的片状石墨在某种 条件下保留至铁液中，没有足够的时间充分溶解， 长时间维持其固 体 状态，最后仍以大的颗粒存在于已 凝固的固 体中。而细小的石墨虽易 于溶解， 但即 使重复熔炼， 仍以细小颗粒存在， 在凝固过程中必然对 固 体组织产生影响，从而提出了 材料科学中遗传性的概念。材料遗传 性概念的 提出对材料的制备产生了 深远的影响，并引起了 材料学家的 高度重视7 -9 1 我们相信，对于金属材料遗传性的深入研究，必将对材料的缺陷 防治、 材质改 性、 新材料开发及深入揭示液固 转变 机制等起到 积极作 用。利用特殊手段及复合技术等制备新材料已引起国内外材料界高度 重视，然而 传统材料特别是金属材料本身内 在规律的认识和基础性研 究 仍潜力无穷。 1 .2金 属熔 体结 构的 实 脸 研究 研究高温金属熔体结构的 途径主要有:1 . 采用x射线衍射、中子 射线 衍射方法的 结构测试; 2 . 计算机模拟技术， 如 分子动力学 模拟技 术， 对 液态 金 属粒 子 ( 原子 ) 的 分布 状态 进 行演算 ， 获 得结 构参数 信息 ; 3 . 熔体结构敏感物理性能 试验研究 ， 得到结构特征及其变化的重要信 息。 所研究的熔体物性主要有粘度、 密度、 表面张力、 电阻率等。 这三 条技 术途 径 相互 联系而 各自 具有特点， 正 在 用于 液 体研究中 。 总的 来说 ， 由 于 合 金 液 态的 复 杂 性、 现 有 研究 手 段 和 试 验 技 术 所限 ， 金 属合 金 液态 方面的研究远远落后于固态方面的研究。 .一三一竺型竺望宝燮竺些里竺坚鉴 近 年 国 际 上 ， 材 料 液 态 研 究 领 域 非 常 活 跃 ， 一 些 发 达 国 家 对 液 态 金 属 的 研 究 给 予 了 高 度 重 视 ， 如 美 国a r g o n n e 国 家 重 点 实 验 室 专 门 设 立 了 研 究 液 体 金 属 结 构 的 机 构 ， 每 年 投 入 几 千 万 美 元 研 究 金 属 的 液 体 结 构 及性 质. 德国 、 英国、日 本等国 家近 年 来对 该 研究 领域非 常 重 视。 西 方 发 达国 家 利 用 先 进的 x一 射 线 衍射 仪等 设 备， 对 液 态 金 属的 结 构 进 行了 较 为 深 入的 研究 。日 本已 从 对 纯 液 体结 构、 简 单 液 体 结 构的 研 究 转向 二 元液 体和复 杂 液 体结 构的 研究， 从 纯 理论 研究 开 始向 应 用开 发 方面 迈 进。 如 通 过 对高 纯 硅高温 熔 体结 构和物 性的 研究， 开 发出了 优 质单晶 硅， 为 计 算 机、 电 子 行业 提 供了 高 性能的 硅晶 体材 料。 1 .2 . 1 实脸方法的理论墓础 对于纯元素 液 体或非晶 体来 说， 如 果n个原子 分布在位置r k 和r i 上，那an个原子散射的x射线的强度是 i 犷( q ) 上标c o h 表示相干散射， 一 f ， ( q )p ( q ) ( 1 一 1 ) .a q ) 是原子的 散射因 子， 求和遍 及n 个原子。 q= 4 ; r s i n b，是入射x 1石 k / 7j 射线的动量变化量， 2 0 是通常所谓的散射角。 结 构因 s ( q ) 一 - (q nl (q ) ( 1 - 2 ) 它的意义是，凝聚态物质中 平均每个原子对x光的散射强度与孤立原 子对x光散射强度的比 值， 是无量纲的。 为了 说明 结 构因 子与 衍射强 度曲 线的一 般特 征， 在图1 - 1 ， 图1 - 2 中 引 用了 近期所 做过的 部分其它实 验。 图1 - 1 显示的 是非晶 态f e g 5 b i 5 ( 样 品 来 源:乌 克兰国 家 科学 院 金 属物 理研究 所s .i . s lj u s a r e n k o ) 和 准晶 a 1 6 s c u 2 5 f e io ( 样品 来 源 : 中 国 科学 院 物 理 研究 所陈 熙 深 研究 员 ) 。 非晶 态 与 准晶的特征非常明显，非晶 体物质的结构因 子一 般具有劈裂的第二 峰，准晶则具有劈裂的第一峰. 第一章绪 论 6公臼4曲jz.n臼 a订 0 2 a 6 s 1 0 1 2 1 4 0 / 1 0 而， 图 1 - 1非晶态f e - b合金与准晶a i - c u - f e 合金的结构因子 f i g u r e 1 - 1 s t r u c t u r e f a c t o r s o f a m o r p h o u s f e - b a l l o y a n d q u a c i c ry s t a l l i n e a i - c u - f e a l l o y 1 .6 r火_ o t q 一 _ _ 八 / 一 _* 了 一一- 一 初此朗 0 2 4 6 6幻份 图1 - 2三种多元液体的x射线衍射强度 f i g u r e 1 - 2 x - r a y d i ff r a c t i o n i n t e n s it y o f t h r e e k i n d s o f m u l t i p l e e l e m e n t s l i q u i d s 图1 - 2 是三种液 体的 衍射强 度曲 线. 样品自 上而下 分别是m g s q 和c a n 0 3 过 饱和 液 体 ( 样品 来源 :中 科院 西 安 盐 湖 研究 所房春晖 教授 ) 以 及g e - a i - s b 合 金熔 体 ( 样品 来 源 : 中 科院 物 理 研究 所陈熙 琢 研究 员 ) 。 山东大学博士学 位论文 一铝合金的溶体结构及其遗传性研究 三 种液体的结构差 别很明显. 图中 纵轴 是相对强 度， 图1 - 1 与图1 - 2 中， 曲线分别向上作了 平移。 图1 - 3 是g a . f 。 和s i 三 种结构差 别较大的纯金属在熔点附近的 结 构因 子。 这些 元素 的 液 体结 构参 数与 1 0 相比 符 合 很 好。 之卜 胡舫舫助 o z 4 s e 1 0 1 2协 q n o 而1 图1 - 3液态f e . s i 和g a 的结构因子 f i g u r e 1 - 3 s t r u c t u r e f a c t o r s o f l i q u i d f e , s i a n d g a 结 构因 子与 双 体 相关函 数g ( r ) 由 下 面的 付立叶 变 换 联系 着 s ( q ) = + p 0 1 g ( r ) 一 1 e x p ( 一 ，q .r ) d r ( 1 - 3 ) g ( r ) 二1 十一 4 z z r o _1 q s ( q ) 一 1 s in ( q r ) d r ( 1-4 ) p o 是液体的平均原子数密 度， 单位为:原子数 / 立方埃。 对于二元液体， 组元的原子数分别为n : 和从， 原子总数为n , n= n , 十 n z ， 原子的 散射因 子 分 别为.f i ( q ) 和 f 2 ( q ) ， 则液 体对于x射线的 散 射强度 try (q )二 2(q ) ) , (q ) ( 1 - 1 1 ) 在q 很大的 地方 偏密度函数的定义是 s ,l ( q分叫= ( 1 - 1 2 ) 山 东大 学 德士学 位论文一铝合金的 熔体结构及其遗 传性 研究 p , , ( r ) c p o g 9 ( r ) = n a - b , s ( r ) ( 1 - 1 3 ) ( 1 一 1 4 ) s ay 与 8 ( r ) 是s _ 函 数。 根据 定义， 存在以 下 关系 c ,6 p p a ( r ) = c a 肠( r ) n a p e a ( r ) = 凡肠 ( r ) ( 1 一 1 s ) ( 1 - 1 6 ) 根据偏双体相干函数的定义可得 g 9 , ( r -* 0 o ) = 1 ( 1 - 1 7 ) 因此， a一 l 型的偏结构因子定义为 s o ( q ) 二 s ag + (e a e .