鋁鎂合金熔體結(jié)構(gòu)及其液-固相關(guān)性的研究.pdf

1、金屬熔體具有遺傳性，熔體結(jié)構(gòu)及熱歷史影響著凝固組織的結(jié)構(gòu)及性能，故熔體結(jié)構(gòu)及液-固相關(guān)性的研究具有很高的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。然而，由于合金熔體常處于高溫條件及其結(jié)構(gòu)的不確定性給實(shí)驗(yàn)和理論研究帶來了很多難題，致使相關(guān)理論匱乏。本文選取具有優(yōu)良性能且用途廣泛但熔體相關(guān)研究很少的鋁鎂合金體系，首先對(duì)熔體相關(guān)原理及鋁鎂合金熔體相關(guān)研究進(jìn)行了系統(tǒng)學(xué)習(xí)并作簡要綜述，然后根據(jù)鋁鎂合金相圖選取成分點(diǎn)，制定并開展了一系列的實(shí)驗(yàn)及模擬，研究其熔體結(jié)構(gòu)及其液

2、-固相關(guān)性，旨在加深對(duì)熔體結(jié)構(gòu)遺傳性的認(rèn)識(shí)、完善相關(guān)理論，為改善鑄件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率及開發(fā)新工藝提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　基于現(xiàn)有熔體結(jié)構(gòu)模型及電阻率理論，采用直流四電極法測試了Al(100-x)Mgx(x=0,10,20,30,40,50)合金熔體不同升/降溫速率下的電阻率，從電子層次獲得其結(jié)構(gòu)及升/降溫過程的電阻率-溫度特性；并結(jié)合電阻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了不同澆注溫度及不同冷速下Al(100-x)Mgx(x=0,10,30)合

3、金熔體澆注實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)所得凝固組織形貌和硬度的對(duì)比分析，從宏觀上間接地探究其液-固相關(guān)性。結(jié)果表明，鋁鎂合金熔體電阻率隨溫度增加基本呈線性增加，但隨著γ相的出現(xiàn)，在液-固相變溫區(qū)電阻率表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)；隨著Mg含量的增加，熔體中的Al-Mg團(tuán)簇增加，使得合金熔體及相應(yīng)的凝固組織相繼變得更加均勻；升/降溫速率越大，相變的滯后現(xiàn)象越明顯；較大的冷卻速度及較高的澆注溫度有助于形成細(xì)小均勻而硬度高的凝固組織。實(shí)驗(yàn)所得的電阻率變化、凝固組織及硬度

4、差別三者之間存在很好的定性對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　為從微觀上獲得凝固過程中的結(jié)構(gòu)信息，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)Al(100-x)Mgx(x=0,10,30)合金四種熱歷史條件下快速凝固過程中的雙體分布函數(shù)、熱力學(xué)量及動(dòng)力學(xué)量以及原子團(tuán)簇等進(jìn)行了對(duì)比分析，探究了冷卻速率和Mg含量對(duì)快速凝固過程及熔體結(jié)構(gòu)的影響，并依據(jù)相關(guān)理論提出了團(tuán)簇準(zhǔn)過渡態(tài)模型。結(jié)果表明，熔體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中會(huì)發(fā)生團(tuán)簇選擇和團(tuán)簇轉(zhuǎn)變，并存在處于準(zhǔn)過渡態(tài)的團(tuán)簇；作為一種過冷液

5、體中的典型團(tuán)簇，二十面體相關(guān)團(tuán)簇的含量隨著冷速的增大先增加（晶體中）后減小（金屬玻璃中），而面心立方結(jié)構(gòu)相關(guān)團(tuán)簇一直減小，這證明了團(tuán)簇演變現(xiàn)象的存在；熱歷史對(duì)快速凝固過程的影響主要表現(xiàn)在過冷液相區(qū)，冷卻速率越大，弛豫度越大，一方面使得保留下來的處于準(zhǔn)過渡態(tài)的團(tuán)簇增加，另一方面均勻無序的熔體凝固過程中結(jié)晶過冷度增大，導(dǎo)致熱力學(xué)上某一時(shí)刻晶核數(shù)目越多、尺寸差別越小，同時(shí)抑制了長大過程；如果冷卻速度足夠大使過冷度達(dá)到了玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域，則隨冷速

6、增大，形核率降低而非晶含量增加，使得體系保留下來的能量也越高；保溫可以降低微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程的弛豫度；隨Mg含量的增加，熔體中Mg和Al的自由體積均減小而抑制了原子運(yùn)動(dòng)，從而增大體系快速凝固過程中的結(jié)構(gòu)弛豫度，這也是鋁鎂合金的玻璃形成能力很強(qiáng)的原因；鋁鎂非晶合金及熔體主要是由以Al為中心原子的二十面體結(jié)構(gòu)相關(guān)的團(tuán)簇彼此間無序連接而成；Al70Mg30非晶合金雙體分布函數(shù)第一峰的劈裂主要源于Al和Mg形成的以Al為中心原子的二十面體相關(guān)團(tuán)簇

7、，而其他峰的寬化和劈裂主要是由短程序及中程序類型的增多及其連接方式的多樣性造成。
　　根據(jù)以上所得結(jié)果進(jìn)行了熱速處理機(jī)制探究實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)不同熱歷史條件下所得純鋁及Al90Mg10合金的冷卻曲線、凝固組織形貌及力學(xué)性能的對(duì)比分析，進(jìn)一步探究熱歷史對(duì)凝固組織的影響，并類比生物生長歷程結(jié)合相關(guān)理論和結(jié)果系統(tǒng)地分析了熔體遺傳性的機(jī)制。結(jié)果表明，微觀不均勻結(jié)構(gòu)存在于熔體中并通過參與形核影響鑄件的性能，可以看作熔體中的基因；冷卻速率越大且熔體

8、越均勻，結(jié)晶過冷度越大，熱力學(xué)上某一時(shí)刻晶核數(shù)目越多、尺寸差別越小且長大過程受到抑制，從而利于形成均勻細(xì)小的晶粒；隨熔體溫度升高，熔體中的原子運(yùn)動(dòng)及團(tuán)簇轉(zhuǎn)變得到加強(qiáng)，減弱了微觀不均性，進(jìn)而相繼導(dǎo)致相對(duì)均勻的熔體結(jié)構(gòu)和凝固組織；隨澆注溫度的升高，熔體的微觀不均勻性減弱而結(jié)晶前冷卻速度增大，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)弛豫，從而利于形成均勻細(xì)小的凝固組織，但同時(shí)澆注溫度的升高減少了異質(zhì)形核的核心，也增加了結(jié)晶時(shí)間，易導(dǎo)致晶粒粗大，二者的綜合作用導(dǎo)致凝固組織的