The theory of phase formation in rare earth metal systems

• Autorzy: Gschneidner K. A.

Warianty tytułu

PL

Teoretyczne podstawy tworzenia faz w układach metali ziem rzadkich

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The seventeen elements, which make up the rare earth family, consist of two non-4f - electron members, Sc and Y, and the fifteen 4 f electron containing lanthanide elements including La that has an empty localized 4f shell. In general, the physical properties, such as the metallic radii, electronegativities, melting points, and crystal structure sequence of the metallic elements, vary in a smooth and regular manner. By utilizing these systematic behaviors, we have learned a great deal about the chemical, metallurgical and physical behaviors of not only the rare earth elements, but also the other elements in the Periodic Table. This includes: (1) the dependence of the entropies of transformation and fusion of the pure metals on the structure and electronic nature; (2) the influence of lattice rigidity on solid solution formation and thus solved one of the oldest metallurgical riddles; (3) the representation of 91 binary rare earth diagrams by a single generalize phase diagram; and (4) the existence of 4f bonding in the lanthanide metals, alloys and compounds well before theorists confirmed this by first principle calculations.

PL

Na rodzine siedemnastu pierwiastków ziem rzadkich składają się dwa pierwiastki nie zawierające elektronów 4 f – Sc i Y, i piętnaście lantanowców w tym La, który posiada pustą zlokalizowaną podpowłokę 4 f . Można ogólnie stwierdzić, że własciwości tych metalicznych pierwiastków, takie jak promienie atomowe poszczególnych metali, elektroujemność, temperatury topnienia oraz sekwencja ich strukturkrystalicznych zmieniają się w sposób ciągły i regularny. Korzystając z tych systematycznych zachowań, poznano wiele właściwości chemicznych, metalurgicznych i fizycznych, nie tylko pierwiastków ziem rzadkich, lecz także innych pierwiastków układu okresowego. Dotyczy to w szczególności: (1) zależności entropii transformacji i entropii topnienia czystych metali od ich struktury krystalicznej i elektronowej, (2) wpływu rodzaju sieci krystalicznej na tworzenie roztworów stałych, które pozwala rozwiązać jedną z najstarszych metalurgicznych niejasności, (3) możliwości przedstawienia 91 wykresów pierwiastków ziem rzadkich za pomocą jednego ogólnego wykresu fazowego, (4) występowania wiązań 4 f w lantanowcach, ich stopach i związkach potwierdzonych następnie za pomocą teoretycznych obliczen ab initio.

Słowa kluczowe

EN

rare earths; lanthanides; alloying theory; thermodynamic properties; solid solution alloys; 4f bonding

PL

pierwiastki ziem rzadkich; lantanowce; zachowania systematyczne; tworzenie stopu; funkcje termodynamiczne; roztwór stały; wiązania 4f

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 51, iss. 4
• Strony: 519--524
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gschneidner K. A.

• Ames Laboratory and Department of Materials Science and Engineering Iowa State University AMES, Iowa 50011-3020, US

Bibliografia

• [1] C. T. Horovitz, K. A. Gschneidner, Jr., G. A. Melson, D. H. Youngblood, H. H. Schock, Scandium - Its Occurrence, Chemistry, Physics, Metal-lurgy, Biology And Technology, Academic Press, London, 1975.
• [2] K. A. Gschneidner, Jr., A. H. Daane, Physical Metallurgy, Chap. 78, pp. 409 484, in Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, 11, K. A. Gschneidner, Jr. and L. Eyring, eds., North-Holland Physics Publishing, Elsevier Science Pub-lishers, Amsterdam, 1988.
• [3] K. A. Gschneidner Jr., On the interrelationships of the physical properties of lanthanide compounds: the melting point, heat of formation and lattice parameter(s), J. Less-Common Metals 17, 1-12 (1969).
• [4] D. C. Koskenmaki, K. A. Gschneidner, Jr., Cerium, Chap. 4, 337-377 in Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, 1. K. A. Gschneidner, Jr. and L. Eyring, eds., North-Holland Publishing Co., Amsterdam, 1978.
• [5] F. H. Spedding, J. J. Mc Keown, A. H. Daane, The high temperature thermodynamic functions of cerium, neodymium and samarium, J. Phys. Chem., 64, 289-294 (1960).
• [6] J. R. Berg, F. H. Spedding, A. H. Daane, The high temperature heat contents and related thermodynamic properties of lanthanum, praseodymium, europium, yt-terbium, and yttrium, U.S. Atomie Energy Comm. report IS-327, 35 pp. (1961).
• [7] D. H. Dennison, K. A. Gschneidner, Jr., A. H. Daane, High-temperature heat contents and related thermodynamic functions of eight rare-earth metals: Sc, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm and Lu, J. Chem. Phys. 44, 4273-82 (1966).
• [8] K. A. Gschneidner, Jr., Entropies of transformation and fusion of the metallic elements, J. Less-Common Metals 43, 179-189 (1975).
• [9] O. Kubaschewski, C. B. Alcock, R. J. Spencer, Materials Thermochemistry, 6th ed. Perg-amon Press, Oxford, pp. 257-323, 1993.
• [10] Anonymous, Metals Handbook, 2, 10th ed., ASM International, Materials Park, Ohio, p. 1190, 1950.
• [11] K. A. Gschneidner, Jr., O. D. McMasters, D. G. Alexander, R. F. Venteicher, Factors influencing the formation of silver-rich solid Solutions in rare-earth-silver alloy systems, Met. Trans. 1, 1961-1971 (1970).
• [12] P. E. Rider, K. A. Gschneidner, Jr., O. D. Mc -Masters, Gold-rich rare-earth-gold solid solutions, Trans. Met. Soc. AIME 233, 1488-1496 (1965).
• [13] R. R. Joseph, K. A. Gschneidner, Jr., Solid sol-ubility of magnesium in some lanthanide metals, Trans: Met. Soc. AIME 233, 2063-2069 (1965).
• [14] Karl A. Gschneidner, Jr., Mary Verkade, Electronic and crystal structures, size (ECS2) model for predicting binary solid solutions, Prog. Mater. Sci. 49, 411-429(2004).
• [15] K. A. Gschneidner, Jr., R. M. Valletta, Concerning the crystal structure seąuence in the lanthanide metals and alloys; evidence for 4/ contribution to the bonding, Acta Met. 16, 477-83 (1968).
• [16] K. A. Gschneidner, Jr., W. B. Pearson, On the stacking sequence in lanthanide metals and alloys adopt-ing families of polymorphic structures: possible influence of 4/ electrons, Materials Res. Buli. 3, 951-62 (1968).
• [17] K. A. Gschneidner, Jr., Systematics of the intra-rare-earth binary alloy systems, J. Less-Common Metals 114, 29-42 (1985).
• [18] K. A. Gschneidner, Jr., F. W. Calderwood, 54, 1-161 in Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, 8, K. A. Gschneidner, Jr. and L. Eyring, eds., North-Holland Physics Publishing, Amsterdam, 1986.
• [19] K. A. Gschneidner, Jr., Pressure dependence of the intra rare earth generalized binary phase diagram, J. Less-Common Metals 110, 1-10, (1985).
• [20] U. Benedict, W. A. Grosshans, W. B. Holzapfel, Systematics of f electrton delocalization in lanthanide and actinide elements under pressure, Phys-icaB 144, 14-18(1986).
• [21] K. A. Gschneidner, Jr., On the nature of 4f bonding in the lanthanide elements and their compounds, J. Less-Common Metals 25, 405-22 (1971).
• [22] K. A. Gschneidner, Jr., Systematics and anoma-lies, J. Alloys Compds. 192, 1-10 (1993).
• [23] W. M. Temmerman, Z. Szotek, W. Winter, Band-structure method for 4/ electrons in elemental Pr metal, Phys. Rev. B 47, 1184-1187 (1993).
• [24] P. Strange, A. Svane, W. M. Temmerman, Z. Szotek, H. Winters, Understanding the valency of rare earths from first-principles theory, Naturę 399, 756-758 (1999).
• [25] W. M. Temmerman, A. Svane, P. Strange, Z. Szotek, H. Winter, Systematics for trivalent and divalent rare-earth sulphides, Phil. Mag. B 80,1179-1191 (2000).
• [26] L. Petit, A. Svane, Z. Szotek, W. M. Temmerman, First-principles study of rare-earth oxides, Phys. Rev. B 72, 205118-1 - 205118-9 (2005).