Fórmulas de composição de sólidos

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 3169 (2022) Citar este artigo

1523 Acessos

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

Soluções sólidas são a base para a maioria das ligas industriais. No entanto, as relações entre suas ordens de curto alcance características e composições químicas não foram estabelecidas. O presente trabalho combina o parâmetro α de Cowley com nosso modelo de aglomerado mais átomo de cola para derivar com precisão as unidades químicas de ligas binárias de solução sólida do tipo cúbico de face centrada. A unidade química contém informações sobre estrutura atômica e composição química, o que explica as ligas industriais predominantes. Por exemplo, as unidades químicas na liga Cu68.9Zn31.1 com α1 = − 0,137 são formuladas como [Zn-Cu10Zn2]Zn2Cu2 e [Zn-Cu10Zn2]Zn3Cu1, com 64,0–70,0% em peso de Cu correspondendo ao cartucho de latão mais amplamente utilizado C26000 (68,5-71,5 Cu). Este trabalho responde à questão de longa data sobre a origem da composição de ligas industriais baseadas em soluções sólidas, rastreando as unidades químicas semelhantes a moléculas implícitas na ordenação química de curto alcance em soluções sólidas.

Em uma das primeiras revisões sobre soluções sólidas em 1925, Bruni1 levantou uma questão preliminar: a molécula química continua existindo no estado cristalino? Esta pergunta parece bastante ingênua atualmente, mas deve ser respondida em seu tempo, pois a maioria dos metais é baseada em soluções sólidas e todos eles têm composições químicas específicas, assim como qualquer substância molecular cuja química está contida na estrutura molecular. Os primeiros resultados das análises de raios X de Bragg2 responderam pela negativa a essa questão, afirmando que dentro do edifício cristalino só existem átomos e a molécula desaparece na rede. No entanto, a origem estrutural das composições químicas das ligas industriais permanece em aberto. A chave para entender o mistério da composição deve estar na estrutura das soluções sólidas, que tem sido um tema quente no início do século XX. Bragg e Williams foram os primeiros a propor um modelo estatístico que considera a ordem e a desordem em soluções sólidas como um fenômeno cooperativo de longo alcance3. Este modelo foi então estendido para uma teoria mais elaborada por Bethe4, assumindo a interação de curto alcance na vizinhança mais próxima. As ordens de longo e curto alcance são bem unificadas nos parâmetros de ordem de curto alcance de Cowley5 αi, expressando a interação de um determinado átomo A com os átomos da i-ésima camada de átomos que o cercam:

onde ni é o número de átomos de B entre os átomos ci da camada i, e mB é a fração molar de átomos de B na liga binária A–B. As equações para o parâmetro de ordem de longo alcance de Bragg e Williams são obtidas considerando o caso limite de i muito grande. Desde então, é bem reconhecido que a ordenação de curto alcance é a principal característica estrutural das soluções sólidas.

Em um esforço para explorar a origem da composição implícita em tais estruturas locais ordenadas e desordenadas, nossa equipe se envolveu no desenvolvimento do chamado modelo de átomo de aglomerado mais cola6,7,8 que simplifica qualquer ordem de curto alcance em um local unidade que cobre um cluster vizinho mais próximo mais alguns átomos de cola vizinhos, expressos na forma de fórmula de cluster como [cluster](átomos de cola). Essa unidade estrutural, mostrando neutralidade de carga e densidade média após a oscilação de Friedel9, assemelha-se em muitos aspectos a moléculas químicas e, doravante, é chamada de 'unidade química'7. A única diferença do conceito comum de molécula reside na forma como as unidades químicas são separadas: em vez de forças intermoleculares relativamente fracas entre as moléculas, aqui as unidades químicas são ligadas por ligações químicas. Mostramos, analisando muitas ligas industriais, que as ligas populares são todas baseadas em fórmulas simples de aglomerado mais átomo de cola, como [Zn-Cu12]Zn4 para Cu-30Zn, [Ni-Fe12]Cr2(Ni,Nb,Ti ) para marage de aço inoxidável Custom465, etc.7.

No entanto, apesar da capacidade comprovada do modelo de aglomerado mais átomo de cola em interpretar as origens da composição das ligas, há uma lacuna óbvia entre as fórmulas idealizadas (por exemplo, os vizinhos mais próximos são sempre totalmente ocupados por átomos de solvente como [Zn -Cu12]Zn4) e a ordem química real de curto alcance (os vizinhos mais próximos são sempre mistos) que podem ser medidos, por exemplo, usando o parâmetro αi. O parâmetro αi descreve o desvio estatístico da composição média da liga em cada camada de rediscagem. O desvio de composição aparece mais proeminentemente no primeiro e no segundo vizinhos mais próximos, o que concorda perfeitamente com a imagem do modelo de aglomerado mais átomo de cola que cobre também o mesmo alcance radial. O presente trabalho é nossa primeira tentativa de preencher a lacuna, mostrando como relacionar os parâmetros mensuráveis ​​αi, dentro da estrutura do modelo aglomerado mais átomo de cola, para a construção de fórmulas de composição de ligas binárias típicas de solução sólida com estrutura cúbica de face centrada (FCC).