強(qiáng)磁場對合金中溶質(zhì)元素分布及組織演化的影響.pdf

1、凝固及熱處理過程中溶質(zhì)原子的遷移對組織形貌、成分偏析、材料性能等有著重要的影響。強(qiáng)磁場技術(shù)的快速發(fā)展使磁場的作用范圍擴(kuò)展到整個材料領(lǐng)域，給材料科學(xué)的發(fā)展帶來了前所未有的機(jī)遇。關(guān)于強(qiáng)磁場對凝固、熱處理等影響的研究引起了人們的關(guān)注。強(qiáng)磁場在金屬熔體中可以產(chǎn)生強(qiáng)大的洛倫茲力及較強(qiáng)的磁化力（包括弱磁性物質(zhì)）。這些力不僅可直接影響溶質(zhì)原子的遷移，也可通過對對流、傳熱等的作用間接影響溶質(zhì)原子的遷移，從而改變?nèi)苜|(zhì)元素分布。明確強(qiáng)磁場對合金中溶質(zhì)元素分

2、布及組織演化的影響，對材料的優(yōu)化設(shè)計和新功能材料的開發(fā)等具有重大意義。
　　考慮各種磁效應(yīng)與物質(zhì)的磁性有很大關(guān)系，本研究對不同磁性的組元組成的合金進(jìn)行了強(qiáng)磁場下的凝固和熱處理實驗，通過改變磁場強(qiáng)度、冷卻條件等，考察強(qiáng)磁場作用下的溶質(zhì)原子的遷移、分布及組織演化。從熱力學(xué)角度的磁自由能、化學(xué)勢和動力學(xué)角度的洛倫茲力、磁化力等對實驗結(jié)果進(jìn)行了考察和解析，初步探討了強(qiáng)磁場對合金中溶質(zhì)元素分布和組織演化的影響規(guī)律和作用機(jī)制。本文的主要研究內(nèi)

3、容和結(jié)果如下:
　　(1)對Al-4.8wt％Cu合金進(jìn)行了有無磁場下的不同熱處理溫度和時間的等溫?zé)崽幚?，考察了熱處理組織中θ相的形貌變化及θ相的面積百分?jǐn)?shù)變化，并對各組數(shù)據(jù)是否存在顯著差異進(jìn)行了統(tǒng)計學(xué)分析。組織形貌觀察表明磁場作用下θ相變薄，互相之間的不連續(xù)性增強(qiáng)。保溫時間為60min的熱處理實驗結(jié)果顯示磁場減小了θ相含量。這意味著磁場促進(jìn)了θ相向α-Al的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)相平衡。從熱力學(xué)角度分析，磁場下的磁自由能使擴(kuò)散驅(qū)動力增加，提

4、高了擴(kuò)散通量，從而促進(jìn)了相平衡。另外，當(dāng)磁場強(qiáng)度增加到一定值，θ相不再減少，即磁場對擴(kuò)散的影響是非線性的。
　　(2)對Al-10.5wt％Cu合金進(jìn)行了均恒強(qiáng)磁場和梯度磁場下的凝固實驗，觀察凝固組織形貌及晶內(nèi)溶質(zhì)元素含量的變化。實驗結(jié)果表明，由于磁場抑制對流的原因，施加磁場的試樣中晶粒生長得比無磁場的要大一些。另外，均恒磁場和梯度磁場下的凝固均可以提高晶內(nèi)溶質(zhì)含量，分析認(rèn)為強(qiáng)磁場下的洛倫茲力抑制了固液界面前沿固相向液相的溶質(zhì)流，

5、從而使晶內(nèi)溶質(zhì)含量增加。改變梯度磁場的方向和BdB/dz的大小，晶內(nèi)溶質(zhì)含量并未發(fā)生明顯改變。
　　(3)對Fe-0.44wt％Cu合金進(jìn)行了有無磁場下的凝固實驗與熱處理實驗，對Fe-3.95wt％C-0.40wt％Cu合金進(jìn)行了有無磁場的凝固實驗，考察凝固及熱處理組織變化及組織中Cu元素的偏析。實驗未發(fā)現(xiàn)磁場對組織形貌產(chǎn)生影響。另外實驗結(jié)果表明，磁場下的凝固和熱處理對Fe-0.44wt％Cu合金組織中Cu的分布無明顯影響。而磁場

6、下的凝固減小了無磁場下Fe-3.96wt％C-0.40wt％Cu合金凝固組織中Cu的偏析，使Cu分布變得均勻。分析表明，磁自由能的影響可以忽略，洛倫茲力影響了原子遷移，從而使Cu均勻分布。
　　(4)對Cu-11 wt％Fe合金進(jìn)行了磁場下的凝固實驗，考察了磁場及不同冷卻條件對組織形態(tài)、取向、凝固組織中所有的α-Fe分布的影響。實驗表明，無磁場下，α-Fe分布在試樣的上部比較多，無方向生長，而施加磁場后，α-Fe枝晶的分布變得相對