液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對(duì)熔體分形特征和凝固行為的影響.pdf

1、液體的多形性(Polymorphism)以及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象已成為人類(lèi)共識(shí)，并在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到高度關(guān)注。其中，溫度誘導(dǎo)液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變已為國(guó)內(nèi)外研究者在多種合金體系中被發(fā)現(xiàn)及驗(yàn)證。多年來(lái)，人們探索一些熔體熱處理工藝方法來(lái)改變材料的組織和性能，并往往被證明有顯著效果，因此固體材料對(duì)于母相液體的熱歷史相關(guān)性也成為重要研究前沿之一。然而，到目前為止，人們對(duì)液態(tài)結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)變的認(rèn)識(shí)深度和廣度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，基于液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變改變凝固行為、微觀組織等方面的

2、研究則更少。這些不足是本文研究的切入點(diǎn)，也是主要內(nèi)容。 由于液態(tài)結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)變的復(fù)雜性，本文嘗試運(yùn)用分形理論和統(tǒng)計(jì)方法探索液態(tài)結(jié)構(gòu)特征，從新的視角認(rèn)識(shí)溫度誘導(dǎo)液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變內(nèi)在本質(zhì)與機(jī)理。另一方面，運(yùn)用自由凝固和定向凝固兩種方式，選用純金屬和不同類(lèi)型的二元合金，系統(tǒng)考察液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對(duì)凝固過(guò)程中形核、生長(zhǎng)機(jī)制、微觀組織缺陷、溶質(zhì)再分配系數(shù)、生長(zhǎng)取向及固液界面形態(tài)等方面的影響。主要結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下： 第一，運(yùn)用分形方法分

3、析In-80wt％Sn、In-49.1wt％Sn和In-20wt％Sn合金液態(tài)結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，液態(tài)結(jié)構(gòu)是多度域分形結(jié)構(gòu)，是由低維分形結(jié)構(gòu)、高維分形結(jié)構(gòu)及其間的過(guò)渡區(qū)域組成。根據(jù)兩分形結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，提出了液態(tài)結(jié)構(gòu)多度域模型。表征分形特征的物理量--分形維數(shù)與電阻、內(nèi)耗、粘度等參量一樣也可以作為一個(gè)結(jié)構(gòu)敏感參量。液態(tài)合金的過(guò)剩熵與其低維分形維數(shù)的線性關(guān)系說(shuō)明了在一定程度上分形維數(shù)能夠反映液體結(jié)構(gòu)信息，也使分形維數(shù)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間建立了聯(lián)系

4、。多度域分形結(jié)構(gòu)中高維結(jié)構(gòu)和低維結(jié)構(gòu)隨溫度的不同變化特征說(shuō)明了液-液結(jié)構(gòu)變化的臨界特性對(duì)空間維數(shù)的依賴(lài)關(guān)系，揭示了非整數(shù)維空間中液態(tài)合金結(jié)構(gòu)變化的物理規(guī)律?；谟睬蚰Ｐ秃统⒘＞€度效應(yīng)，溫度誘導(dǎo)In-Sn合金液-液結(jié)構(gòu)變化的機(jī)制可能是團(tuán)簇線度減小到能產(chǎn)生線度效應(yīng)，類(lèi)固型的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)在此效應(yīng)的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)樵咏Y(jié)合更緊密、面對(duì)面結(jié)合的多四面體結(jié)構(gòu)。 第二，引入R/S分析(rescaled range analysis)液態(tài)In-20w

5、t％Sn和In-80wt％Sn合金的偶分布函數(shù)，發(fā)現(xiàn)液態(tài)中距離參考原子r處發(fā)現(xiàn)一個(gè)原子的概率遵循Hurst冪律關(guān)系，這種概率出現(xiàn)的規(guī)律是高指數(shù)的分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)。與平均近鄰原子間距一樣，Hurst指數(shù)也隨溫度發(fā)生了變化。但不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，Hurst指數(shù)具有其獨(dú)特的物理意義，液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)Hurst指數(shù)的變化表明發(fā)現(xiàn)原子的概率偏離分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)，傾向于布朗運(yùn)動(dòng)，Hurst指數(shù)的跳動(dòng)是液相從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。 第三，以

6、液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變作為新的切入點(diǎn)，選用純Bi、過(guò)共晶Pb-90wt％Sn合金、亞共晶Sn-40wt％Bi合金和勻晶Bi-lOwt％Sb合金進(jìn)行自由凝固實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變大幅加強(qiáng)了凝固過(guò)程中的形核控制作用，提高了形核率，提高了形核過(guò)冷度、生長(zhǎng)速度和加速度。液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變促進(jìn)了純Bi凝固組織中孿晶數(shù)量大幅增加，產(chǎn)生臺(tái)階聚并現(xiàn)象，晶界附近形成很多樹(shù)枝晶。液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變使溶質(zhì)分配系數(shù)較大的Sn-40wt％Bi合金枝晶容易產(chǎn)生熔斷現(xiàn)象，由粗

7、大樹(shù)枝晶變?yōu)榈容S晶，而溶質(zhì)分配系數(shù)較小的Pb-90wt％Sn合金液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變后枝晶尺度雖然也減小，但其形貌仍為樹(shù)枝晶。對(duì)于組織以等軸晶形式存在的Bi-10wt％Sb合金，液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變使凝固組織形貌由不均勻不規(guī)則變?yōu)榫鶆蛉切菭?，且使晶粒尺寸明顯減小。 第四，自制了定向凝固裝置，成功實(shí)現(xiàn)了Pb-80wt％Sn、Pb-90wt％Sn和Pb-99wt％Sn的定向凝固實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)熔體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變減小了溶質(zhì)非平衡分配系數(shù)，增加了固液界面前沿的

8、溶質(zhì)富集程度，減小了胞晶間距和二次枝晶間距。液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對(duì)晶體生長(zhǎng)取向的影響主要是隨凝固長(zhǎng)度增加，液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變使合金實(shí)現(xiàn)高指數(shù)晶面取向，加劇了低指數(shù)晶面分支現(xiàn)象。液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?cè)龃罅薖b-80wt％Sn、Pb-99wt％Sn合金的定向凝固固液界面不穩(wěn)定性。在水淬冷速條件下時(shí)，熔體結(jié)構(gòu)變化后的Pb-80wt％Sn合金枝晶尖端、Pb-99wt％Sn合金胞晶尖端能夠進(jìn)入其固液界面前沿的成分過(guò)冷區(qū)，繼續(xù)向液相生長(zhǎng)；而液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前合金的枝