고체의 조성식

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 3169(2022) 이 기사 인용

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솔리드 솔루션은 대부분의 산업용 합금의 기초입니다. 그러나 그들의 특징적인 단거리 질서와 화학적 조성 사이의 관계는 확립되지 않았습니다. 본 연구는 Cowley 매개변수 α를 클러스터-플러스-접착제-원자 모델과 결합하여 면심 입방형 이원 고용체 합금의 화학 단위를 정확하게 유도합니다. 화학 단위는 널리 사용되는 산업용 합금을 설명하는 원자 구조 및 화학 조성에 대한 정보를 전달합니다. 예를 들어, α1 = − 0.137인 Cu68.9Zn31.1 합금의 화학 단위는 [Zn-Cu10Zn2]Zn2Cu2 및 [Zn-Cu10Zn2]Zn3Cu1로 공식화되며, 64.0-70.0wt% Cu는 가장 널리 사용되는 카트리지 황동 C26000에 해당합니다. (68.5–71.5 Cu). 이 연구는 고용체의 화학적 단거리 순서에 내포된 분자와 같은 화학 단위를 추적함으로써 고용체 기반 산업용 합금의 조성 기원에 대한 오랜 질문에 답합니다.

1925년 고용체에 대한 초기 검토 중 하나에서 Bruni1는 예비적인 질문을 제기했습니다. 화학 분자는 결정 상태로 계속 존재합니까? 이 질문은 현재로서는 매우 순진해 보이지만 대부분의 금속은 고용체를 기반으로 하고 있으며 모두 분자 구조에 화학이 포함된 모든 분자 물질과 마찬가지로 특정 화학 조성을 갖고 있기 때문에 그의 시대에 대답해야 합니다. Bragg2에 의한 X-선 분석의 첫 번째 결과는 결정 구조 내에 원자만 존재하고 분자는 격자 속으로 사라진다는 점을 확인함으로써 이 질문에 부정적으로 대답했습니다. 그러나 산업용 합금의 화학적 조성의 구조적 기원은 여전히 ​​열려 있습니다. 조성 미스터리를 이해하는 열쇠는 20세기 초반에 화두였던 고용체의 구조에 있을 것이다. 브래그와 윌리엄스는 고용체의 질서와 무질서를 협동적인 장거리 현상으로 간주하는 통계 모델을 최초로 제안한 사람 중 하나입니다3. 이 모델은 Bethe4에 의해 가장 가까운 이웃에서의 단거리 상호 작용을 가정하여 보다 정교한 이론으로 확장되었습니다. 장거리 및 단거리 차수는 Cowley의 5가지 단거리 차수 매개변수 αi로 잘 통합되어 주어진 원자 A와 이를 둘러싼 i번째 원자 껍질의 원자와의 상호 작용을 나타냅니다.

여기서 ni는 i번째 껍질의 ci 원자 중 B 원자의 수이고, mB는 A-B 이원 합금에서 B 원자의 몰분율입니다. 브래그와 윌리엄스의 장거리 차수 매개변수에 대한 방정식은 i 매우 큰 극한 사례를 고려하여 구해집니다. 그 이후로 단거리 주문이 솔리드 솔루션의 주요 구조적 특징이라는 것이 잘 인식되었습니다.

이러한 질서 있고 무질서한 국지적 구조에 내포된 구성 기원을 탐구하기 위한 노력의 일환으로 우리 팀은 모든 단거리 질서를 국지적 질서로 단순화하는 소위 클러스터-플러스-접착-원자 모델6,7,8 개발에 참여해 왔습니다. 가장 가까운 이웃 클러스터와 몇 개의 다음 이웃 글루 원자를 포함하는 단위로, 클러스터 공식 형식으로 [클러스터](접착 원자)로 표현됩니다. 프리델 진동에 따른 전하 중립성과 평균 밀도를 보여주는 이 구조 단위는 여러 면에서 화학 분자와 유사하므로 이후 '화학 단위'라고 불립니다. 일반적인 분자 개념과의 유일한 차이점은 화학 단위가 분리되는 방식에 있습니다. 즉, 분자 사이의 분자간 힘이 상대적으로 약한 대신 화학 단위가 화학 결합으로 연결되어 있습니다. 우리는 많은 산업용 합금을 분석함으로써 인기 있는 합금이 모두 Cu-30Zn의 경우 [Zn-Cu12]Zn4, [Ni-Fe12]Cr2(Ni,Nb,Ti)와 같은 단순한 클러스터 + 접착제 원자 공식을 기반으로 한다는 것을 보여주었습니다. ) 스테인레스 스틸 Custom465 등을 마레이징하는 데 사용됩니다.

그러나 합금의 조성 기원을 해석하는 데 있어서 클러스터-접착제-원자 모델의 입증된 능력에도 불구하고 이상화된 공식 사이에는 명백한 차이가 있습니다(예: 가장 가까운 이웃은 항상 [Zn과 같은 용매 원자로 완전히 채워집니다. -Cu12]Zn4) 및 매개변수 αi를 사용하여 측정할 수 있는 실제 화학적 단거리 순서(가장 가까운 이웃은 항상 혼합되어 있음)입니다. αi 매개변수는 각 재다이얼 쉘의 평균 합금 구성과의 통계적 편차를 나타냅니다. 구성 편차는 첫 번째와 두 번째로 가까운 이웃에서 가장 두드러지게 나타나며, 이는 동일한 방사형 범위를 포괄하는 클러스터-플러스-접착제-원자 모델의 그림과 완벽하게 일치합니다. 현재 작업은 클러스터-플러스-접착제-원자 모델의 틀 내에서 측정 가능한 매개변수 αi를 다음과 같은 일반적인 이원 고용체 합금의 조성 공식 구성과 연관시키는 방법을 보여줌으로써 격차를 메우려는 첫 번째 시도입니다. FCC(면심 입방체) 구조.