一种三元非晶合金最大负混合焓的计算方法与流程

本发明属于非晶合金技术领域，更具体地，涉及一种三元非晶合金最大负混合焓的计算方法。

背景技术

非晶合金的成分制备涉及到工艺参数、实验环境以及成分本身的非晶形成能力大小等因素。在相同的制备工艺条件下，如果能够设计出非晶形成能力相对较大的成分体系，那么对于非晶的制备工艺要求将大大降低，对于大块非晶合金的推广应用将有极大影响。块体非晶合金的设计一般都是根据inoue三原则(井上三原则)：

1)多于三种组元的多组元体系；

2)基本组元之间有大于12％的原子尺寸差；

3)基本组元之间有较大的负混合焓。

非晶成分的设计目前来说尚未有较明确的方法提出，非晶混合焓的计算是通过对合金试样的dsc曲线进行面积积分得到，这种方法计算比较复杂，且只能在设计出合金成分之后计算合金体系的混合焓，对非晶合金的设计只具有验证意义，而完全没有对成分设计的指导意义。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明首要目的在于提供一种三元非晶合金最大负混合焓的计算方法。提出在确定三元合金元素且已知其中一种成分比例的基础上，进行体系最大负混合焓的计算，从而为非晶形成能力强的合金成分设计提供理论依据，最终设计出非晶形成能力较强的非晶合金，从而更加容易的制备出较强的非晶合金，为非晶合金的成分设计提供一定的理论依据。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种三元非晶合金最大负混合焓的计算方法，包括如下具体步骤：

s1.任意给定的三元a-b-c合金体系，已知元素a的成分，则有amb100-xcx，其中，x＜100-m-x，且0＜x＜m，0＜m＜100；

s2.根据元素间的混合焓值，设a-b间的混合焓值为δhmix1，b-c间的混合焓值为δhmix2，a-c间的混合焓值为δhmix3；

s3.假设各元素原子间完美结合，则有体系的总混合焓h为各元素原子间的相互结合之和，对于1molamb100-xcx，x个a原子、x个b原子和x个c原子之间结合形成的混合焓δh1＝x×(δhmix1+δhmix2+δhmix3)；

s4.对于剩余的(m-x)个a原子和(100-m-2x)个b原子之间形成的混合焓为δh2；

s5.将步骤s3和步骤s4相加为体系最大负混合焓，即δh＝δh1+δh2。

优选地，步骤s4中若m-x≥100-m-2x，即100-2m≤x≤50-m/2，则δh2＝(100-m-2x)×δhmix1＝(100-m)×δhmix1-2x×δhmix1，则步骤s5中δh＝δh1+δh2＝(100-m)×δhmix1+x×(δhmix2+δhmix3-δhmix1)。

更为优选地，若δhmix1＞δhmix2+δhmix3时，当x取最大正整数n1{(100-2m)≤n1≤(50-m/2)}，分子式为amb100-m-n1cn1时，所得δh＝δh1+δh2即为体系的最大负混合焓；若δhmix1＜(δhmix2+δhmix3)时，当x取最小正整数n2{(100-2m)≤n2≤(50-m/2)}，分子式为amb100-m-n2cn2时，所得δh＝δh1+δh2即为体系的最大负混合焓。

优选地，步骤s4中若m-x≤100-m-2x，即x≤100-2m，则δh2＝(m-x)×δhmix1＝m×δhmix1-x×δhmix1，则步骤s5中δh＝δh1+δh2＝m×δhmix1+x×(δhmix2+δhmix3)。

更为优选地，若x取最大正整数n3{n3≤(100-2m)(n3＜100-m-n3且n3＜m)}，分子式为amb100-m-n3cn3时，所得δh＝δh1+δh2即为体系的最大负混合焓。

优选地，步骤s1中所述三元a-b-c合金体系中，a为zr、fe、ti或cu，b为cu、nb或mg，c为al、y或co

本发明的计算三元体系混合焓的方法，在已知三元合金体系的情况下，能够确定组元的原子半径差，因此不考虑共晶相图等其他因素的影响的条件下，只需再确定体系的最大负混合焓，即可得到本体系。此方法只需知道其中一种成分的含量比例，即可对整个体系进行混合焓计算，找出最大混合焓进而确定理论最佳非晶形成能力成分。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的三元非晶合金最大负混合焓的计算方法，在确定了三元合金元素且已知其中一种成分比例的基础上，进行体系的最大负混合焓的最优计算，具有简单、快捷等优点，对于a-b-c三元合金体系来说，已知元素a的成分含量，即可对体系进行最大负混合焓的计算，在忽略其他条件的影响下，进而得知体系的最佳非晶形成能力成分点，为非晶合金体系的成分开发提供一定的理论依据，从而避免了传统合金开发的大量试验性实验造成的原材料的浪费。

2.本发明基于各元素之间的混合焓值，根据元素间的原子结合方式，计算出体系的最大负混合焓。在已确定三元合金体系即确定了成分原子半径尺寸差的情况下，根据井上三原则，只需要计算出最大的混合焓就能得到理论的最佳形成能力的的非晶成分。本发明的计算最大负混合焓，对于设计最大非晶形成能力的非晶合金成分具有重要的指导意义。

附图说明

图1为实施例1中zr-cu-al合金的混合焓值的计算示意图。

图2为实施例2中mg-cu-y合金的混合焓值的计算示意图。

图3为实施例3中cu-zr-ti合金的混合焓值的计算示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。

实施例1

一种zr-cu-al合金最大负混合焓的计算方法，具体步骤如下：

已知某一成分(zr46)含量而其他两种元素(cu54-xalx)含量未知的zr-cu-al三元合金体系进行混合焓计算，其分子式为zr46cu54-xalx；

已知zr(原子半径145pm)-cu(原子半径117pm)-al(原子半径118pm)之间cu-zr的混合焓是-23kj/mol，zr-al的混合焓是-44kj/mol，而cu-al之间的混合焓是-1kj/mol，如图1所示。

在1mol的zr46cu54-xalx中，x个al原子分别和x个zr原子、x个cu原子结合时形成的混合焓h1＝x×(-44)+x×(-1)＝-45xkj/mol；

剩余的(46-x)个zr原子和(54-2x)个cu原子产生的混合焓有两种情况：

(1)当(46-x)≥(54-2x)，由46-x＞0，54-2x＞0，得8≤x＜27时，h21＝(54-2x)×(-23)＝-1242+46xkj/mol，此时zr46cu54-xalx体系合金的混合焓最大负值hmax＝h1+h21＝-1242-22xkj/mol，当x为最大正整数26时，此时分子式为zr46cu28al26，混合焓有最大负值hmax＝-1814kj/mol；

(2)当(46-x)≤(54-2x)，由46-x＞0，54-2x＞0，即0＜x≤8时，h22＝(46-x)×(-23)＝-1058+23xkj/mol，此时zr46cu54-xalx体系合金的混合焓最大负值hmax＝h1+h21＝-1058-45xkj/mol，当x为最大正值8时，混合焓有最大负值hmax＝-1418kj/mol；此时分子式为zr46cu46al8。

对于已确定zr基含量的zr46cu54-xalx三元合金体系，当al元素相对较多时其分子式为zr46cu28al26时，体系有最大负的混合焓为-1814kj/mol；当al元素相对含量较少时，其分子式为zr46cu46al8，体系最大负的混合焓为-1418kj/mol。若不考虑共晶相图等其他因素的条件下，则zr46cu28al26在zr46cu54-xalx三元合金体系中具有最大的非晶形成能力合金成分。

实施例2

一种mg-cu-y合金最大负混合焓的计算方法，具体步骤如下：

已知某一成分(zr65)含量而其他两种元素(cu35-xalx)含量未知的mg-cu-y三元合金体系进行混合焓计算，其分子式为mg65cu35-xyx；

已知mg(原子半径136pm)-cu(原子半径117pm)-y(原子半径162pm)之间cu-mg的混合焓是-3kj/mol，mg-al的混合焓是-38kj/mol，而cu-y之间的混合焓是-22kj/mol，如图2所示。

在1mol的mg65cu35-xyx中，x个y原子分别和x个mg原子、x个cu原子结合时形成的混合焓h1＝x×(-38)+x×(-22)＝-60xkj/mol；

剩余的(65-x)个mg原子和(35-2x)个cu原子产生的混合焓情况如下：

因(65-x)≥(35-2x)恒成立，由65-x＞0，35-2x＞0，得0＜x≤17时，h21＝(35-2x)×(-3)＝-105+6xkj/mol，此时mg65cu35-xyx体系合金的混合焓最大负值hmax＝h1+h2＝-105-54xkj/mol，当x为最大正整数17时，此时分子式为mg65cu18y17，混合焓有最大负值hmax＝-1023kj/mol；

对于已确定mg基含量的mg65cu35-xyx三元合金体系，当其分子式为mg65cu18y17时，体系有最大负的混合焓为-1023kj/mol。若不考虑共晶相图等其他因素的条件下，则mg65cu18y17为在mg65cu35-xyx三元合金体系中具有最大的非晶形成能力的合金成分。

实施例3

一种cu-zr-ti合金最大负混合焓的计算方法，具体步骤如下：

已知某一成分(cu60)含量而其他两种元素(zr40-xtix)含量未知的cu-zr-ti三元合金体系进行混合焓计算，其分子式为cu60zr40-xtix；

已知cu(原子半径117pm)-zr(原子半径145pm)-ti(原子半径132pm)之间cu-zr的混合焓是-23kj/mol，zr-ti的混合焓是0kj/mol，而cu-ti之间的混合焓是-9kj/mol，如图3中所示。

在1mol的cu60zr40-xtix中，x个ti原子分别和x个zr原子、x个cu原子结合时形成的混合焓h1＝x×(-9)＝-9xkj/mol；

剩余的(60-x)个cu原子和(40-2x)个zr原子产生的混合焓情况如下：

因(60-x)≥(40-2x)，由60-x＞0，40-2x＞0，得0＜x＜20时，h2＝(40-2x)×(-23)＝-920+46xkj/mol，此时cu60zr40-xtix体系合金的混合焓最大负值hmax＝h1+h2＝-920+37xkj/mol，当x为最小正整数1时，此时分子式为cu60zr39ti1，混合焓有最大负值hmax＝-920kj/mol；

对于已确定zr基含量的cu60zr40-xtix三元合金体系，当其分子式为cu60zr39ti1时，体系有最大负的混合焓为-920kj/mol。若不考虑共晶相图等其他因素的条件下，则cu60zr39ti1为在cu60zr40-xtix三元合金体系中具有最大的非晶形成能力的合金成分。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。