合金熔體脆性的廣義性研究.pdf

1、研究液態(tài)金屬及合金的性質(zhì)，尤其是它們的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)，是冶金物理與化學(xué)的主要問題。合金固體組織和性能在很大程度上取決于熔體的性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)，對熔體的處理可以從本質(zhì)上改善合金固相組織，獲取最佳應(yīng)用性能。
　　 粘度是結(jié)構(gòu)敏感性物理量，通過對合金熔體粘滯特性的研究可以揭示熔體微觀結(jié)構(gòu)變化。合金熔體粘滯性特點可以采用熔體脆性理論加以分析，合金熔體脆性理論是關(guān)于合金熔體性質(zhì)的重要理論。過冷熔體脆性可以描述合金過冷態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的性質(zhì)

2、，脆性系數(shù)m能判定合金玻璃形成能力：脆性系數(shù)越小，合金的玻璃形成能力越強。由于玻璃轉(zhuǎn)變溫度難以確定，以及對試驗參數(shù)的依賴性，在計算合金熔體脆性系數(shù)時容易出現(xiàn)偏差。過熱熔體脆性概念以合金液相線溫度標(biāo)度溫度，提高了脆性計算的確定性，并可以直接從合金熔體過熱脆性系數(shù)M判斷其非晶形成能力，不必制備非晶合金后再研究其玻璃轉(zhuǎn)化性質(zhì)。二十余年來，為制備大塊金屬非晶，合金熔體脆性概念被廣泛用來研究玻璃的弛豫現(xiàn)象和判斷合金非晶形成能力。最近，科研人員發(fā)現(xiàn)

3、脆性系數(shù)與合金固態(tài)物理性質(zhì)體積彈性模量存在一定關(guān)聯(lián)，但是如何建立定性關(guān)系卻鮮有研究。建立合金熔體脆性和固態(tài)物性之間的關(guān)系，進一步揭示合金液-固轉(zhuǎn)變本質(zhì)具有非常重要的理論意義和實踐意義。
　　 本文以高純共晶Al-12Si合金為重點研究對象，通過粘度測量方法，獲取合金熔體粘度隨溫度變化的信息，探索變質(zhì)處理對合金熔體性能的影響規(guī)律，引入熔體脆性理論，揭示變質(zhì)處理的微觀機理。通過測量合金熱膨脹系數(shù)的變化，分析合金尺寸熱穩(wěn)定性，探索合金

4、原子振動與合金熔體中原子跳躍頻率之間的關(guān)系。通過對熱穩(wěn)定性的分析，研究合金熔體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與固態(tài)組織熱性能之間的本質(zhì)規(guī)律。
　　 對磷變質(zhì)鋁硅合金粘度的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)磷變質(zhì)處理后，合金熔體的粘度增大，磷的加入量不同對合金粘度的影響程度不同。未達到有效變質(zhì)的加入量使臨近液相線溫度的粘度劇烈增加，有效變質(zhì)的合金熔體粘度增加幅度不大。經(jīng)赤磷變質(zhì)后Al-Si合金粘度急劇增大，是未變質(zhì)合金粘度的2倍，Al-2.5P中間合金變質(zhì)后合金粘度僅比未

5、變質(zhì)粘度增加約5％。比較鋁硅合金熔體過熱脆性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)脆性系數(shù)和變質(zhì)效果有如下關(guān)系：未變質(zhì)合金熔體脆性系數(shù)最大，有效變質(zhì)合金脆性系數(shù)較小。過熱熔體脆性系數(shù)M=2可以作為判斷磷變質(zhì)效果的臨界值。研究發(fā)現(xiàn)變質(zhì)后Al-12Si合金粘性流體激活能Ea和原子間距r發(fā)生改變，脆性系數(shù)M與熔體原子間距r之間存在線性關(guān)系r=1.9+1.6M，根據(jù)硅和鋁的晶格常數(shù)可知，M＜2時合金熔體才能形成穩(wěn)定的Si-Si原子團簇，從而在凝固過程中析出初晶硅，達到變質(zhì)

6、目的。
　　 在500K～620K之間，鋁硅合金熱膨脹系數(shù)曲線上出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)峰值αmax，合金元素Ge、Ni和變質(zhì)元素Ce、P都使αmax增大，低于CTE-T曲線峰起始溫度時Ce、P均使合金CTE減小，Ce的作用較P明顯，Ni、Ge對CTE的影響甚微；在CTE峰值溫度以上，Ge、Ce、P使合金CTE減小，Ge的作用較Ce、P明顯。合金系CTE的變化是各元素對合金彈性模量、晶界和空位綜合作用的結(jié)果。合金CTE峰的存在表明Al-1

7、2Si合金在500K～620K之間發(fā)生了微觀結(jié)構(gòu)的明顯變化，或者產(chǎn)生了某種亞穩(wěn)態(tài)，鑄造鋁硅合金固溶時效強化機理很可能與此溫度區(qū)間內(nèi)合金組織的微細變化有關(guān)，有理由預(yù)言時效處理溫度提高至500K～620K，可以提高處理效率和效果。通過研究變質(zhì)劑加入量對合金CTE變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，未有效變質(zhì)合金熱穩(wěn)定性差，有效變質(zhì)合金熱穩(wěn)定性好，磷加入量為200ppm時熱穩(wěn)定性最好。
　　 分析脆性系數(shù)M與合金熔體及其固體物理性質(zhì)之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)脆性系數(shù)