多元多相合金的熱力學(xué)描述及其在凝固過程中的應(yīng)用.pdf

1、科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)實踐中所用的金屬材料大多數(shù)是具有復(fù)雜成分的多元多相合金，對這類材料凝固原理及其組織形成的研究有重要的實際意義。能否將凝固模型應(yīng)用于生產(chǎn)實際，關(guān)鍵就取決于對多元合金凝固組織的模擬是否成熟。本論文主要結(jié)合熱力學(xué)計算技術(shù)，對多元多相合金凝固過程中的溶質(zhì)分凝現(xiàn)象及其對凝固組織和溶質(zhì)偏析的影響進行了較為深入的研究。 溶質(zhì)分凝是凝固過程中的重要伴隨現(xiàn)象，對凝固過程中的成分偏析及組織形成有著決定性的影響。在多元合金中由于存在

2、復(fù)雜的溶質(zhì)相互作用，用實驗相圖分析溶質(zhì)分凝行為并不方便。本文首先從熱力學(xué)角度出發(fā)，建立了溶質(zhì)分凝因數(shù)的熱力學(xué)計算模型。詳細討論了Al-Cu二元合金和Al-Si-Mg三元合金凝固過程中溶質(zhì)的分凝行為。結(jié)合計算熱力學(xué)技術(shù)，對溶質(zhì)分凝因數(shù)的預(yù)測很好地吻合于實驗結(jié)果。 為了快速提取系統(tǒng)的熱力學(xué)信息，減少計算時間，應(yīng)用Levenberg-Marquardt算法進行了相圖的計算。Levenberg-Marquardt算法采用目標函數(shù)的二階導(dǎo)

3、數(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)計算精度和收斂速度的較好結(jié)合。該方法適合于求解二元以及多元合金中的相平衡問題。 研究了工業(yè)中廣泛應(yīng)用的Al-Si-Mg三元合金凝固過程中的溶質(zhì)分凝行為，確定了該合金凝固過程中溶質(zhì)分凝因數(shù)與固相分數(shù)的定量關(guān)系。發(fā)現(xiàn)分凝因數(shù)隨固相分數(shù)的變化而顯著變化，并且遠遠偏離其二元系中的數(shù)值。定量預(yù)測了不同凝固條件下Al-Si-Mg合金的凝固路徑及共晶分數(shù)。其結(jié)果與采用二元分凝因數(shù)的預(yù)測結(jié)果偏差較大，而與實驗結(jié)果接近。 結(jié)

4、合溶質(zhì)分凝的分析，研究了冷卻速率對Al-2.06wt％Si-1.58wt％Mg合金凝固過程的影響。實驗和理論分析均發(fā)現(xiàn)，在低的冷卻速率下，其凝固過程為：L→L1+Fcc_Al→L1+Fcc_Al+Si→L1+Fcc_Al+Si+Mg2Si，而在較高的冷卻速率下，其凝固過程為：L→L1+Fcc_Al→L1+Fcc_Al+Mg2Si→L1+Fcc_Al+Si+Mg2Si。改變凝固速率可以使多元合金的凝固過程按照不同的路徑進行，從而達到控制析

5、出相種類的目的。 耦合熱力學(xué)計算技術(shù)，提出了多元合金凝固界面的穩(wěn)定性判據(jù)。以Al-0.34wt％Si-0.14wt％Mg合金為例，分別討論了耦合熱力學(xué)計算技術(shù)和采用二元系參數(shù)在對固液界面穩(wěn)定性判斷上的差別。通過與實驗結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)耦合熱力學(xué)計算技術(shù)使得對界面穩(wěn)定性的判斷能更好地吻合于實驗結(jié)果。 耦合熱力學(xué)計算技術(shù)，建立了多元合金強制枝晶生長過程的動力學(xué)模型。研究了Al-Si-Mg合金強制枝晶生長過程中溶質(zhì)分凝因數(shù)的變化

6、，進而研究了其對枝晶生長過程的影響。預(yù)測了不同成分Al-Si-Mg合金強制枝晶生長過程中一次枝晶間距的變化。耦合熱力學(xué)計算技術(shù)，能夠使預(yù)測值在很大成分范圍內(nèi)都更好地吻合于實驗結(jié)果。 在多元合金凝固過程枝晶粗化方程的求解過程中利用了溶質(zhì)邊界層的概念，方便地獲得了固相中溶質(zhì)反擴散通量，大大簡化了方程的求解。在模擬多元合金枝晶臂粗化過程中耦合了熱力學(xué)計算技術(shù)，獲得了更加精確的相平衡信息。 結(jié)合多元擴散系數(shù)，詳細研究了Cu-Sn

7、-Zn三元合金的枝晶生長過程。在擴散矩陣中非對角線項大約為對角線項的20％，并且各項在凝固過程中都有較大幅度的變化。因溶質(zhì)間相互作用改變了溶質(zhì)在液相中的傳輸條件，使得液相中的溶質(zhì)富集和枝晶生長速度在同一過冷度條件下均發(fā)生了很大變化。 從熱力學(xué)角度分析了快速凝固過程中的溶質(zhì)分凝行為，揭示了多元合金中的溶質(zhì)分凝因數(shù)與平衡分凝因數(shù)、界面生長速度、溶質(zhì)擴散系數(shù)的關(guān)系。定量計算了三元合金快速凝固過程中溶質(zhì)分凝因數(shù)與生長速度和擴散系數(shù)的關(guān)系