Co-Al-W基高温合金的团簇成分式

Co-Al-W基高温合金具有类似于Ni基高温合金的γ+γ'相组织结构.根据面心立方固溶体的团簇加连接原子结构模型,Ni基高温合金的成分式即最稳定的化学近程序结构单元可以描述为第一近邻配位多面体团簇加上次近邻的三个连接原子.本文应用类似方法,首次给出了Co-Al-W基高温合金的团簇成分式.利用原子半径和团簇共振模型,可计算出Co-Al-W三元合金的团簇成分通式,为[Al-Co_(12)](Co,Al,W)_3,即以Al为中心原子、Co为壳层原子的[Al-Co_(12)]团簇加上三个连接原子.对于多元合金,需要先将元素进行分类:溶剂元素——类Co元素Co (Co, Cr, Fe, Re, Ni,Ir,Ru)和溶质元素——类Al元素Al (Al,W,Mo, Ta,Ti,Nb,V等);进而根据合金元素的配分行为,将类Co元素分为Co~γ(Cr, Fe, Re)和Co^(γ')(Ni, Ir, Ru);根据混合焓,将类Al元素分为Al, W (W, Mo)和Ta (Ta, Ti, Nb, V等).由此,任何多元Co-Al-W基高温合金均可简化为Co-Al伪二元体系或者Co-Al-(W,Ta)伪三元体系,其团簇加连接原子成分式为[Al-Co_(12)](Co_(1.0)Al_(2.0))(或[Al-Co_(12)] Co_(1.0)Al_(0.5)(W,Ta)_(1.5)=Co_(81.250)Al_(9.375)(W,Ta)_(9.375) at.%).其中,γ与γ'相的团簇成分式分别为[Al-Co_(12)](Co_(1.5)Al_(1.5))(或[Al-Co_(12)] Co_(1.5)Al_(0.5)(W,Ta)_(1.0)=Co_(84.375)Al_(9.375)(W,Ta)_(6.250) at.%)和[Al-Co_(12)](Co_(0.5)Al_(2.5))(或[Al-Co_(12)] Co_(0.5)Al_(0.5)(W, Ta)_(2.0)=Co_(78.125)Al_(9.375)(W,Ta)_(12.500)at.%).例如,Co_(82)Al_9W_9合金的团簇成分式为[Al-Co_(12)]Co_(1.1)Al_(0.4)W_(1.4)(～[Al-Co_(12)]Co_(1.0)Al_(0.5)W_(1.5)),其中γ相的团簇成分式为[Al-Co_(12)]Co_(1.6)Al_(0.4)W_(1.0)(～[Al-Co_(12)]Co_(1.5)Al_(0.5)W_(1.0)),γ'相的团簇成分式为[Al-Co_(12)]Co_(0.3)Al_(0.5)W_(2.2)(～[AlCo_(12)]Co_(0.5)Al_(0.5)W_(2.0)).

基于团簇加连接原子模型对TC21钛合金的成分优化

运用源自最成熟Ti-6Al-4V合金的双团簇成分式,解析了高损伤容限的双相TC21(Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-2Nb-1.5Cr)钛合金成分,指出其成分式由13个α-Ti和4个β-Ti结构单元构成。与Ti-6Al-4V相比,β-Ti结构单元从5减少到4,但是引入了更多的β稳定元素,使得该合金具有更好的强塑性。在此基础上,本工作将TC21的β-Ti团簇式内各β稳定元素原子等比例配比以增加混合熵,大量增加Zr含量以进一步提升β相稳定性,设计了团簇式为α-{[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))}_(13)+β-{[(Al-(Ti_(12)Zr_(2))]Sn_(0.75)Mo_(0.75)Nb_(0.75)Cr_(0.75)}_(4)(原子分数)的新合金TC21Z2,相应质量分数为Ti-5.9Al-5.4Zr-2.6Sn-2.1Mo-2.0Nb-1.1Cr。采用真空铜模倾铸工艺进行样品制备,进而研究了合金的铸态组织和拉伸力学性能。研究发现,TC21Z2铸态组织为α+少量细针状α'马氏体+少量β相,其抗拉强度约为1289 MPa,屈服强度约为1181 MPa,伸长率约为1.4%,强度和塑性均高于同样状态下TC21合金。

基于团簇式设计方法的高强导电Cu-Ti合金成分优化

采用了一种新的团簇成分式合金设计方法,对高强导电Cu-Ti合金进行了成分优化和实验验证。根据团簇加连接原子结构模型,Cu-Ti面心立方固溶体的高稳定性化学近程序结构单元可表述为团簇成分式[Ti-Cu_(12)]Cu_(3,6),其中[Ti-Cu_(12)]为以溶质原子Ti为中心的第一近邻配位多面体团簇,并搭配以3或6个连接原子。经过固溶处理(1173 K/2 h)和时效(723 K/4 h)处理,合金[Ti-Cu_(12)]Cu3(质量分数Cu-4.8Ti)的维氏显微硬度为304 MPa,导电率为9.8%IACS,[Ti-Cu_(12)]Cu_6(Cu-4.0Ti)的维氏硬度为283 MPa,导电率达11.3%IACS,其中后者导电性能相当于日本的Cu-3.39Ti合金,且成分点位于性能对成分变化不敏感区域。

基于不同α/β团簇式比例的Ti-Al-V合金的铸态组织和力学性能

在课题组前期工作基础上,设计并铜模吸铸了满足α-{[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))}_(17-n)+β-{[Al-Ti_(14)](V_(2)Ti)}n团簇式的合金系列,通过改变β相团簇式的个数n,获得组织覆盖α到β的Ti-(3.19~7.45)Al-(0~12.03)V系列合金,进而表征了铸态组织和室温拉伸力学性能。结果表明,随着n增加,铸态组织由单一α(α'马氏体)经双相态直到单相β,α'马氏体形态由板条状逐渐转变为细片状和针状,当n=5时开始出现β相,n=8时α'马氏体数量最多且呈针状,当n=12时α相完全消失,形成单一β相。相应地,合金强度呈先上升而后下降的趋势,塑性变化趋势则相反,这源自细小针状α'马氏体提升强度而降低塑性的作用。当n=8时,合金的强度达到最大(比Ti-6Al-4V提高了90 MPa),抗拉强度约为1019 MPa、屈服强度约为867 MPa、延伸率与Ti-6Al-4V持平(约为4%),尤其是比强度和比硬度均优于Ti-6Al-4V,达到了230 kN·m/kg和0.76 GPa·cm^(3)/g,分别提升了9%和5%。

Ti对Zr-Nb二元合金β结构稳定性和力学性能的影响

利用团簇成分式方法设计了[Zr-Zr_(14)](Zr,Nb)3系列二元合金,进而采用Ti替代部分Zr形成三元合金;采用真空铜模吸铸快冷技术制备合金棒材,利用XRD、OM、TEM等对其进行微观组织表征和力学性能测试。结果表明,随着Nb含量增加,Zr-Nb二元合金基体结构从hcp-α向bcc-β转变,β结构稳定的同时伴随有ω相析出。适量Ti添加可显著抑制ω相的析出,进一步改善了合金的β结构稳定性。其中,单相bcc-β合金[Ti-Zr_(14)]Nb3(Zr-17.37Nb-2.98Ti,质量分数,%)表现出低弹性模量(E=57 GPa)的同时具有最佳的力学性能(屈服强度σYS=557 MPa、延伸率δ=15.5%)。

基于团簇加连接原子模型设计Mg-7.1Al-3.0Ce高强铸造合金

采用了团簇加连接原子模型描述了Mg-Al-Ce固溶体中的近程有序结构,构建了该类合金的理想成分式[(Al,Ce)_1-Mg_(12)]Mg_1,并据此设计了成分为[(Al_(0.925)Ce_(0.075))-Mg_(12)]Mg_1(Mg_(92.86)Al_(6.61)Ce_(0.54),at%;Mg-7.1Al-3.0Ce,mass%)的ACe73合金,通过永久模重力铸造(PM)工艺获得铸态合金。结果表明:合金显微组织为α-Mg基体中均匀分布着大量不连续的β-Mg17Al11相和针状Al_(11)Ce_3相,拉伸实验测得该合金抗拉强度为210 MPa,屈服强度为99.3 MPa,伸长率为9.0%,相比于其他PM工艺制备的Mg-Al-Ce铸态合金,强度最高。

数学教学问题情境设计的思考

数学教学中的问题情境不限于纯粹的数学题,特别是不同于那些通过"识别题型、回忆解法、模仿例题"等非思维性活动就能解决的"题";其核心都是需要学生通过"观察、思考。