Laves相NbCr2化合物的力学性能和应用

2023-11-08 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-1Laves 相NbCr2 金属间化合物的X 射线衍射谱如图2-2 所示为根据X 射线衍射谱计算出的C15 结构NbCr2 的晶格常数，实线代表理论值，黑点表示经过计算得到的实验值。为了进一步分析Laves 相NbCr2 金属间化合物中的缺陷结构，采用排水法测量了试样的密度。图2-3Laves 相NbCr2 合金密度与成分的关系由于AB2 型Laves 相金属间化合物属于拓扑密排结构，在三种晶体结构中，每种晶体结构具有相同的基本堆垛单元。

5 种成分的Laves 相NbCr2 金属间化合物的X 射线衍射谱如图2-1 所示。从图中可以看出，所有试样都为C15 结构的Laves 相NbCr2，与Nb-Cr的二元相图[8]是吻合的。

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图2-1　Laves 相NbCr2 金属间化合物的X 射线衍射谱

如图2-2 所示为根据X 射线衍射谱计算出的C15 结构NbCr2 的晶格常数，实线代表理论值，黑点表示经过计算得到的实验值。当合金成分偏离化学配比成分时，必然会导致合金的晶体规则排列结构存在缺陷。Laves相NbCr2 属于拓扑密堆结构，由于具有拓扑密排结构的Laves 相空间填充度很高，过剩的原子不会进入晶胞内的间隙，而只可能要么占据原来的点阵位置从而在另一原子点阵位置上形成结构空位（Constitutional vacancies），要么占据另一原子的点阵位置，形成反位置点缺陷（Anti-site substitution）[9]。Chen 等[11]曾假设Laves 相结构中的缺陷全部为反位置缺陷，则C15 Laves 相的晶格常数可采用平均原子半径的方法计算。用aR 表示C15 结构的晶格常数，由于单胞中24 个原子的空间占有率为71%，有如下等式成立：

式中，rave 为平均原子半径，根据组成原子A、B 的原子半径和各自的摩尔分数计算得到，即

式中，x 为Cr 的摩尔分数。对于NbCr2，r（Nb）为0.145 nm，r（Cr）为0.128 nm，aR=6.405 217－0.001 72x。

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图2-2　C15 结构NbCr2 晶格常数与成分的关系

上式表明，在NbCr2 的Laves 相固溶度范围内，晶格常数与成分呈线性关系，且随原子半径较小的Cr 含量的增加而减小。从图2-2 中可以看出，C15 结构Laves 相NbCr2 的晶格常数随着Cr 含量的增加而减少，这是因为Nb 原子半径比Cr 大，晶格常数与成分的关系与理论计算值的变化基本吻合。因此，在Laves 相的固溶度范围内，当成分偏离化学计量比时，NbCr2合金中存在反位置缺陷，即成分处于富Nb 区时，缺陷为Nb→Cr 的反位置缺陷，若成分处于富Cr 区，则缺陷为Cr→Nb 的反位置缺陷。

为了进一步分析Laves 相NbCr2 金属间化合物中的缺陷结构，采用排水法测量了试样的密度。如图2-3 所示为试样密度与Cr 含量的关系。实线为 Laves 相化合物中引入了反位置组分缺陷的化合物理论密度，虚线为Laves 相化合物中引入了组分空位后化合物的理论密度。空位型化合物的理论密度随着成分偏离计量比而迅速减小，而反位置缺陷型化合物的理论密度则随Cr 含量的增加缓慢减小。虽然实验测定的密度与反位置缺陷型化合物理论密度有小于 3%的误差，但其变化趋势与反位置型化合物的变化趋势完全一致，而与空位型化合物的差异显著。因此可以认为，当成分偏离化学计量比时，NbCr2 中存在着反位置缺陷，不存在组分空位，变化趋势从图中可以看出随着试样成分偏离Laves 相NbCr2 的化学配比，试样烧结前后的致密度增加。因此可以认为，当成分偏离化学计量比时，C15 结构的Laves 相NbCr2 金属间化合物中存在着反位置缺陷，不存在组分空位，这与Zhu 等[4-5]的研究结果相同。孙学松等[12]在研究Laves 相ZrCr2 合金的结构缺陷时也得到相似的结论。

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图2-3　Laves 相NbCr2 合金密度与成分的关系

由于AB2 型Laves 相金属间化合物属于拓扑密排结构，在三种晶体结构中，每种晶体结构具有相同的基本堆垛单元。但与一般fcc 和hcp 结构不同的是，Laves 相的基本堆垛单元不是单层原子面，而是由四层原子面组成。其中，大原子A 和小原子B 各占两层原子面。C15 基本单元的堆垛顺序类似于通常的立方fcc 结构，即沿[111]方向按...ABCABC...的顺序堆垛；C14 的堆垛顺行类似于通常的hcp 结构，沿[0001]方向按...ABAB...顺序堆垛；而C36 则按...ABACABAC...的顺序堆垛排列。如图2-4 为C15 Laves相结构图，大小原子分别代表A 原子（Nb）和B 原子（Cr）。例如：2A2B点阵由2，4，7，8 原子组成；1A3B 点阵由1，6，8，9 原子组；4B 点阵由6，7，8，9 原子组成。在Laves 相NbCr2 金属间化合物中，当成分为富Cr 时，多余Cr 原子占据Nb 位置；当成分为富Nb 时，多余半径大的原子Nb 占据半径小的原子Cr 的位置，显然，这必定会引起晶格畸变。在Nb-Cr二元相图[6]上，Cr 在Laves 相NbCr2 中的溶解度比Nb 的溶解度大，这也印证了上述结构的特征。

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图2-4　C15 Laves 相晶胞结构图，其中大小原子分别代表Nb 和Cr 原子

Laves相NbCr2化合物的力学性能和应用

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