·676· 北京科技大学学报 2005年第6期 (b) Fe re 图1含合金元素Y-Fe晶胞的价电子结构计算模型.(aM-Fe-Me:(br-Fe-Me-Me;(c)Y-FeMe-Me' Fig.1 Valence electron structure calculation models of y-Fe unit-cell bearing alloy atoms 杂阶表中的数据输入扫描，即可得到含不同合金 因子n(各键上的共用电子对数)和∑n.(晶胞中总 元素Y-Fe晶胞的价电子结构. 的共用电子对数)的增加说明晶胞总体成键能力 的提高，键能增加.而相结构因子σ（相中可能存 2含合金元素Y-Fe晶胞价电子结 在的原子状态组数)是衡量相稳定性的一个价电 构的分析描述 子结构参数，其数值越大，说明该相愈加稳定.相 以含锰、铬元素Y-Fe晶胞价电子结构为例进 结构因子的变化直接影响到合金的相变过程，如 行研究，表1给出了不同晶胞的价电子结构，同 文献[1l]介绍，对于y-Fe→a-Fe同素异构转变时， 时表中还给出了y-Fe晶胞的价电子结构以资比 温度为912℃，而对于Fe-Mn合金系，当含1%~ 15%Mn时，转变点温度已经降到860-180℃.这 较.由表中数据可以看出，与Y-Fe晶胞相比，含合 金元素YFe晶胞的价电子结构发生了较大的变 说明与Y-Fe相比，Y-Fe-Mn晶胞较稳定，当由fcc 化，这些变化直接影响到合金结构钢的相变过 结构向bcc结构重构时需要较大的热动力学驱动 程.合金原子Mn,Cr溶入Y-Fe晶胞后，极大改变 力.同时，文献[12]还介绍，随着铬含量的增加，Y 了晶胞的价电子结构，Fe原子的杂化态向较高杂 →α转变的孕育期增长，如4.8%Cr在680~700℃ 阶迁移.y-Fe晶胞中的Fe原子杂化态处于Bll 转变5%的最短孕育期为5s,7.1%Cr约为15s,而 阶，而对于Y-Fe-Mn晶胞中的Fe原子则升高到 含8.5%Cr的FeCr合金则增加到60s以上.由此 B14阶，其原子单键半径R()由B11阶的011343 可见，相结构因子的变化改变了合金相变时的热 nm降低到B14阶的0.11153nm,而其共价电子对 动力学驱动力， 数n.由4.0021升高到4.7144，分析其他晶胞中Fe 同时还应注意到，对于含异种元素的Y-Fe晶 原子杂化态的变化，也具有类似的规律.Fe原子 胞，其相结构因子o远远大于含同种元素Y-Fe晶 的这些变化正反应出合金元素原子溶入Y-Fe晶 胞的，如对于YFe-MnCr晶胞，其相结构因子 胞后对其产生的影响， 为835（其他几种晶胞的均小于70），计算Y 合金元素原子溶入Y-Fe晶胞后，使得价电子 FeCr-Ni晶胞的相结构因子ow为1507，这说明几 结构中各相结构因子出现不同程度的提高，如Y一 种合金元素溶入Y-Fe品胞后，可以大大提高Y相 Fe-Mn晶胞的相结构因子n.(0.4093),∑n.(18.00)及 的稳定性，这与文献[13]给出的实验结果是符合 (61)均比YFe晶胞中的相结构因子高.相结构 的，如2.5%Ni可使含8.5%Cr的FeCr合金的最 表1不同含锰、铬元素Y-Fe晶胞结构单元的价电子结构 Table 1 VES of different y-Fe unit-cell bearing manganese and chromium atoms 各键的共价电子对数m, 相结构因子 品胞结构单元 A B C F ∑m: Y-Fe 0.32990.00600.0003 B11 一 16.0080 Y-FeMn0.40930.33400.00610.00920.00030.0003 B14 3 61 18.0000 y-FeMm-Mn0.57080.29120.40770.00530.01040.00030.0002B15 67 17.3078 Y-FeCr0.33680.43530.01480.00890.00090.0011 B12 一 12 56 18.9280 Y-FeCr-Cr0.42200.35230.38560.01200.01430.00100.0009B15 1 49 18.0394 YFe-MnCr0.41650.43290.25390.43290.00790.00450.0130B15 103 83517.9644一 6 7 6 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 6 期 r l 七 r 图 1 含合 金元亲卜 F e 晶胞 的价 电子 结构计 算模型 . a( 卜 e F e- M e; b( 卜 F e- M e- M e ; ()c 丫` F卜 M e-x M已 Fi g . l 物 l e n e e e k e rto n s rt u e Ut 代 ca l c u l a 目 o n m o d e ls o f 了es F e u n i-tC e朋 b e a r i n g a l o y a t o m s 杂阶表 中 的数据 输入 扫描 , 即可得 到含 不 同合金 元 素下- F e 晶胞 的价 电子 结 构 . 2 含合金 元素丫- F e 晶胞价 电 子结 构 的分 析 描 述 以含 锰 、 铬 元 素卜F e 晶胞 价 电子 结构 为例 进 行研 究 , 表 1 给 出了不 同 晶胞 的价 电子 结 构 , 同 时表 中还给 出 了下一 F e 晶胞 的价 电子 结构 以资 比 较 . 由表 中数 据可 以看 出 , 与下一 F e 晶胞 相 比 , 含 合 金元 素丫- F e 晶胞 的 价 电子 结构 发 生 了较大 的变 化 , 这 些 变 化直 接 影 响 到合 金 结 构钢 的相 变过 程 . 合 金原 子 M n , Cr 溶 入下- F e 晶胞 后 , 极大 改变 了 晶胞 的价 电子 结构 , eF 原 子的 杂化态 向较 高杂 阶迁移 斗- F e 晶胞 中的 eF 原 子 杂化 态 处于 lB l 阶 , 而 对 于丫一 F e - M n 晶胞 中 的 eF 原 子则 升 高到 B 14 阶 , 其原 子单 键 半径 R ( l ) 由 B l l 阶 的 0 . 113 4 3 mn 降低 到 B 14 阶 的 0 . 11 1 53 mn , 而 其共 价 电子对 数 n 。 由 .4 002 1 升 高到 .4 7 14 4 , 分 析其 他 晶胞 中 eF 原子 杂 化态 的变 化 , 也 具有 类 似 的规 律 , eF 原 子 的这 些 变化 正 反应 出合 金 元素 原 子溶 入丫- F e 晶 胞 后 对其 产 生 的影 响 . 合 金元 素 原子 溶入下- F e 晶胞 后 , 使得 价 电子 结 构 中各相 结构 因 子 出现 不 同程度 的提 高 , 如卜 F e一 M n 晶胞 的相 结 构 因子 n 。 ( 0 . 4 0 9 3) , 艺n c ( 18 . 00 ) 及 以61 ) 均 比下一 F e 晶胞 中的相 结 构 因子 高 . 相 结 构 因子 an (各 键 上 的共 用 电子 对数 )和 艺cn ( 晶胞 中总 的共 用 电子对 数 ) 的增 加 说 明晶胞 总 体成键 能 力 的提 高 , 键 能 增加 . 而相 结 构 因子 ` (相 中可 能 存 在 的原子 状态 组 数) 是 衡量 相稳 定 性 的一个 价 电 子 结构 参数 , 其 数值 越大 , 说 明该 相 愈加稳 定 . 相 结 构 因子 的变化 直接 影 响到合 金 的相变 过 程 , 如 文 献 【川 介 绍 , 对 于下- F e ~ 。 - . 下e 同素 异构 转变 时 , 温度 为 9 12 ℃ , 而对 于 eF 一 M n 合金 系 , 当含 1% 一 巧 % M n 时 , 转变 点温 度 已 经 降到 8 60 一 180 ℃ . 这 说 明与下- F e 相 比 汀一F e - M n 晶胞较 稳 定 , 当 由 fc c 结构 向b c 结 构重 构 时需要 较大 的热动 力学 驱动 力 . 同时 , 文 献 【12] 还介 绍 , 随着 铬 含量 的增 加 , 下 ~ a 转 变 的 孕育 期增 长 , 如 4 . 8 % C r 在 6 8 0一 7 0 ℃ 转 变 5 % 的最 短孕 育 期为 5 5 , 7 . 1 % C r 约为 巧 s , 而 含 8 . 5 % C r 的 F e州C r 合 金 则增 加 到 60 5 以上 . 由此 可 见 , 相 结构因子 的变化 改变 了合金 相变 时 的热 动 力学 驱 动 力 . 同时还应 注 意 到 , 对 于含 异种 元 素 的卜 F e 晶 胞 , 其 相 结构 因子 丙远 远大 于 含 同种 元素下一 F e 晶 胞 的丙 , 如对 于下- F e - M I卜C r 晶胞 , 其相 结 构 因子 丙 为 8 3 5 ( 其他 几 种 晶胞 的丙均 小 于 7 0) , 计 算卜 F e 曰C r 一 N i 晶胞 的相 结构 因 子丙为 1 5 07 , 这 说 明几 种 合 金元 素溶 入下未F e 晶胞 后 , 可 以大 大提 高丫相 的稳 定性 , 这 与文 献 【13] 给 出 的实验 结 果是 符合 的 , 如 .2 5 % N i 可使 含 .8 5 % C r 的 F e 曰C r 合 金 的最 表 1 不同含 锰 、 铬元素卜F e 晶胞结 构单 元的价 电子 结构 介b l e 1 V E S o f d i幻陌er n t 丫` F e u o i倪 e l b e a r i n g m a n g a n e s e a n d e h m m i u m a ot m s 晶胞结构 单元 各 键的共 价 电子对 数un 相 结构 因子 A B C D E F G 铸 。 口山. 氏 , ` 艺 n 。 A B C D E F G 铸 。 口山. 氏 , 丙 艺 n 。 46167549835 丫- F e 丫一 F e 一M n 1273 -YF e一 N伍- M n 卜F e 一 C r 卜 F e - C r戎) r -YF e we M n一 C r 0 . 3 2 9 9 0 . 4 0 9 3 0 . 5 7 0 8 0 . 3 3 6 8 0 4 2 2 0 0 . 4 16 5 0 . 0 06 0 0 . 3 34 0 0 . 2 9 1 2 0 . 4 35 3 0 . 3 52 3 0 . 4 32 9 0 刀0 0 3 0 . 0 0 6 1 0 . 4 0 7 7 0 . 0 1 4 8 0 . 3 8 5 6 0 . 2 5 3 9 0 . 00 9 2 0 . 00 5 3 0 一 00 8 9 0 . 0 12 0 0 . 4 3 2 9 0 刀00 3 0 刃10 4 0 . 00 0 9 0 . 0 14 3 0 . 00 7 9 0 . 0 0 0 3 0 0 0 0 3 0 . 0 0 1 1 0 . 0 0 1 0 0 0 0 4 5 0 . 00 0 2 0 . 00 0 9 0 . 0 13 0 B 1 1 B 14 B 15 B 12 B 15 B 16 16刀 0 8 0 18乃 00 0 17 3 07 8 18 92 8 0 18刀 39 4 17 . 964 4