居天华1,舒念1,何维1,丁学勇,2
1.
2.
利用基于组分间性质差建立的统一外推模型(UEM)，结合Miedema模型、Tanaka过剩熵关系式，给出了计算任意基体中溶质间活度相互作用系数的模型。该模型不仅在数学上可以覆盖由传统外推模型耦合Miedema模型导出的活度相互作用系数模型，还可以利用组分间的性质差大小定性解释由传统外推模型给出的活度相互作用系数模型的预测特点及其适用体系，且与实验结果吻合良好。
关键词：
为了表征稀合金溶液中某一组分对另一指定组分的活度系数的影响，Wagner[1]于1952年提出了活度相互作用系数的概念。该概念一经提出，便得到了材料与冶金学家们的广泛关注，并实验测定了部分合金体系中的大量数据[2~6]。近年来，不少学者对相关数据作了大量补充和更新[7~12]。然而，现有的实验数据量依然很少。另外，现有的实验数据主要集中在铁基合金领域，而对于诸如镍基、铜基、钴基等其他合金体系，相关数据依然处于稀缺状态。因此，对合金熔体中溶质间活度相互作用系数的测定和获取依然是值得关注的重点课题之一。
合金熔体中组分间的活度相互作用系数除了可以通过实验测定外，还可以采用理论模型进行计算。在理论计算方面，Alcock和Richardson[13,14]首先通过拟化学模型[15]解释了铁基熔体中O和S的热力学相互作用行为，开启了理论计算合金中组分间活度相互作用系数的序幕。Lupis和Elliott[16]进一步采用拟化学模型及扩展的拟化学模型建立了计算任意基体中组分间活度相互作用系数的模型，并计算了部分合金体系中组分间的一阶和二阶活度相互作用系数，得到的结果与实验值具有很好的一致性。但是，该方法中所需的关键参数需从实验数据中获取，因此，该模型难以推广。此后，研究者们提出了许多计算方法。例如，Tanaka等[17]采用自由体积模型计算了Fe-N-X合金系中组分间的活度相互作用系数
20世纪90年代初，丁学勇等[23~26]首次采用Toop模型(Toop-Kohler模型)[32]耦合Miedema模型[27~29]建立了计算任意基体中组分间的活度相互作用系数的模型，并利用该模型大量计算了铁基合金中组元间的一阶活度相互作用系数，计算值与实验值吻合很好。然而，Toop-Kohler模型[32]属于非对称模型，在计算之前需确定非对称组元，并且当非对称组元为溶剂组分时，Toop-Kohler模型[32]耦合的Miedema模型[27~29]无法导出正确的活度相互作用系数的计算式。针对此种情况，丁学勇等[33]采用Hillert模型(Toop-Colinet模型)[34]给出了计算此种条件下的活度相互作用系数的计算式。此外，丁学勇等[33]还研究了非对称组分的选择对活度相互作用系数的计算值的影响，以及在同一非对称组分下(溶质组分为非对称组分的情况)，对比了Toop-Kohler模型[32]和Hillert模型[34]计算的活度相互作用系数与实验值的吻合程度。结果表明，对于大多数合金来说，选择不同的非对称组分的计算结果差别较大；在同一个非对称组分条件下，Toop-Kohler模型[32]的计算结果与实验值的吻合度总体上要好于Hillert模型[34]的计算结果与实验值的吻合度。这说明，不同的合金体系需要采用不同的外推模型进行处理。Chartrand和Pelton[35]也指出，不同的外推模型具有其自身适用的合金体系。Dogan和Arslan[36]在对比不同外推模型的预测效果时也得到与此相一致的结论。因此，在采用外推模型耦合Miedema模型[27~29]来计算活度相互作用系数时，理论上可以根据不同合金系的性质选择适用的外推模型。然而，已报道的大量外推模型[30,32,34,35,37~43]均没有给出他们分别适用于何种性质的体系，这就导致了在实际操作中的困难。
为了开发一个理论自洽、适应体系范围更广的通用模型，范鹏等[44,45]和Zhang等[46]都采用了Chou模型[39]耦合Miedema模型[27~29]来构建活度相互作用系数的计算模型。Chou模型[39]通过引入组分间的相似系数，打破了传统外推模型的对称和非对称界限。并且，随着被处理体系性质的变化，Chou模型[39]可以还原到大多数的传统外推模型。即，Chou模型[39]可以利用组分间的相似系数概念对大多数传统外推模型给出的二元项的摩尔组成点的选择提供依据。但是，Chou模型[39]中的相似系数概念并不能清楚解释Kohler模型[42]给出的二元项的摩尔组成点[47]。这意味着由Chou模型[39]导出的活度相互作用系数模型对适用于Kohler模型[42]/Toop-Kohler模型[32]的体系依然缺乏说服力。
在前期工作中[47]，作者考虑到任意两两组分间的性质差别存在差异，从外推模型的通用数学表达式[30]出发，认为对多元系的摩尔性质产生贡献的子二元项的摩尔组成受系统中余下组分的影响，但二元项的相互作用规律不受其影响。即，系统中余下每一组分根据其与选定二元项中的组分在性质上的差别大小，对选定二元项中各组分的摩尔量有贡献，以此构成该二元项在多元系中产生效应的摩尔组成，从而导出了一个在数学上可以覆盖所有传统外推模型的新模型——统一外推模型(unified extrapolation model，EM)。随后，将UEM[47]与Miedema模型[27~29]耦合建立了一个在数学上可以还原到任意传统外推模型耦合Miedema模型构建的计算稀合金溶液中溶质间活度相互作用系数的模型[48]。但是，前期工作[48]给出的模型并未考虑过剩熵项的影响。因此，本工作将进一步介绍该模型的特点及应用，并给出在考虑过剩熵条件下的活度相互作用系数模型的计算表达式。
1活度相互作用系数的计算模型
对于液态的二元系合金，Tanaka等[49~51]根据自由体积理论给出了过剩熵(
式中，Tm,i、Tm,j分别为组分i、j的熔点，单位K。
因此，根据混合焓、过剩熵、过剩Gibbs自由能3者之间的关系，当温度为T时，二元系的摩尔过剩Gibbs自由能(
结合文献[48]对活度相互作用系数模型的推导，当考虑过剩熵时，基体k中组分j对i的活度相互作用系数
其中，
式中，R为通用气体常数，其值为8.314 J/(mol·K)；Vi、
式中，
式中，Dk-i和Dk-j分别表示组分k与组分i以及组分k与组分j在性质上的差值。
2模型特点及应用
根据UEM[47]的特点可知，当贡献系数取不同的值时，UEM[47]可以还原到不同的传统外推模型。因此，当
表1本模型中贡献系数值与常见外推模型导出的活度相互作用系数模型之间的对应关系
Table 1
因此，根据贡献系数值与传统外推模型之间的一一对应关系，传统外推模型耦合Miedema模型[27~29]构建的活度相互作用系数模型的适用体系可以通过组分间的性质差来判断。由此也可以推断，在任意两组分间的性质差均较大，但基体组分与两溶质组分之间的性质差的差别并不明显的体系中，传统外推模型均不能准确预测其溶质间的活度相互作用系数。此外，以上结果也说明了合金熔体中溶质间的活度相互作用系数的预测准确度可以通过准确定义组分间的性质差来实现。
3组分间性质差的计算
在文献[48]中，采用A、B组分分别与C组分相互作用时表现出的性质差异来表征A、B两组分间的性质差，在不考虑过剩熵的条件下同样取得了计算值与实验值相一致的结果。但是，在后来的研究[54]中发现，文献[48]中采用的组分间的性质差的计算式是不充分的。之所以在文献[48]中依然能取得计算值与实验值相一致的结果，其原因是对于大多数的合金系，组元间的活度相互作用系数大小主要取决于溶剂k对溶质i和j的贡献系数的相对大小，即
两组分间的性质差还可以采用另一种方式确定，即A、B两组分之间的性质差可以采用A、B两组分彼此被对方完全包围时所表现出的性质差异来表征。前期工作[54,55]发现，此种方式下得到的组分间的性质差不但能使UEM[47]的预测结果与实验值具有更好的吻合度，而且其计算式更简单、计算也更方便。因此，在计算合金系中溶质间活度相互作用系数时，建议采用此种方式来界定两组分间的性质差，即：
式中，
式中，
图1为利用本模型和文献[48]中的模型计算的1873 K的铁液中第IV周期元素对C和Si的活度相互作用系数及与相应实验值[6]的比较。可以看出，本模型与文献[48]中的模型在大多数合金系中计算得到的活度相互作用系数之间的差别并不大，但在个别合金系如Fe-C-Ca、Fe-C-Ti、Fe-C-Sc等中存在较为明显的差别。与实验值相比，本工作中的模型计算的值比先前的模型[48]计算的值与实验值具有更好的一致性。这些结果进一步表明，准确界定组分间的性质差对提高模型的预测可靠性具有重要影响。
图1
图1
Fig.1Comparisons of calculated value and experiment's value from Ref.[6] for
(a) Fe-C-j(b) Fe-Si-j
另外，需要说明的是，本工作中采用的Tanaka过剩熵关系式[49~51]并不适用于组分之间物性差异较大的体系，比如有气体元素参与的体系。有关过剩熵项的影响将在后续研究中进行讨论，尤其是在特殊体系中的情况。
4结论
(1) 本工作给出了利用UEM结合Miedema模型、Tanaka过剩熵关系式导出的计算任意基体中溶质间活度相互作用系数的模型。该模型在数学上不仅可以覆盖其他传统外推模型耦合Miedema模型导出的活度相互作用系数模型，还可以利用组分间的性质差大小定性解释传统外推模型给出的活度相互作用系数模型的预测特点及适用体系。
(2) 通过实例分析表明，准确表征两组分间的性质差大小对本模型的预测可靠性具有至关重要的影响。本工作中，将两组分间的性质差表示成这两组分彼此被对方完全包围时所表现出的性质差异，该模型表现出了较先前模型计算结果与实验值更一致的结果。
来源--金属学报