合金熔体脆性的广义性研究

论文摘要

研究液态金属及合金的性质,尤其是它们的热力学和动力学性质,是冶金物理与化学的主要问题。合金固体组织和性能在很大程度上取决于熔体的性质和微观结构,对熔体的处理可以从本质上改善合金固相组织,获取最佳应用性能。粘度是结构敏感性物理量,通过对合金熔体粘滞特性的研究可以揭示熔体微观结构变化。合金熔体粘滞性特点可以采用熔体脆性理论加以分析,合金熔体脆性理论是关于合金熔体性质的重要理论。过冷熔体脆性可以描述合金过冷态向玻璃态转变的性质,脆性系数m能判定合金玻璃形成能力:脆性系数越小,合金的玻璃形成能力越强。由于玻璃转变温度难以确定,以及对试验参数的依赖性,在计算合金熔体脆性系数时容易出现偏差。过热熔体脆性概念以合金液相线温度标度温度,提高了脆性计算的确定性,并可以直接从合金熔体过热脆性系数M判断其非晶形成能力,不必制备非晶合金后再研究其玻璃转化性质。二十余年来,为制备大块金属非晶,合金熔体脆性概念被广泛用来研究玻璃的弛豫现象和判断合金非晶形成能力。最近,科研人员发现脆性系数与合金固态物理性质体积弹性模量存在一定关联,但是如何建立定性关系却鲜有研究。建立合金熔体脆性和固态物性之间的关系,进一步揭示合金液-固转变本质具有非常重要的理论意义和实践意义。本文以高纯共晶Al-12Si合金为重点研究对象,通过粘度测量方法,获取合金熔体粘度随温度变化的信息,探索变质处理对合金熔体性能的影响规律,引入熔体脆性理论,揭示变质处理的微观机理。通过测量合金热膨胀系数的变化,分析合金尺寸热稳定性,探索合金原子振动与合金熔体中原子跳跃频率之间的关系。通过对热稳定性的分析,研究合金熔体结构稳定性与固态组织热性能之间的本质规律。对磷变质铝硅合金粘度的研究发现,经磷变质处理后,合金熔体的粘度增大,磷的加入量不同对合金粘度的影响程度不同。未达到有效变质的加入量使临近液相线温度的粘度剧烈增加,有效变质的合金熔体粘度增加幅度不大。经赤磷变质后Al-Si合金粘度急剧增大,是未变质合金粘度的2倍,Al-2.5P中间合金变质后合金粘度仅比未变质粘度增加约5%。比较铝硅合金熔体过热脆性系数,发现脆性系数和变质效果有如下关系:未变质合金熔体脆性系数最大,有效变质合金脆性系数较小。过热熔体脆性系数M=2可以作为判断磷变质效果的临界值。研究发现变质后Al-12Si合金粘性流体激活能Eα和原子间距r发生改变,脆性系数M与熔体原子间距r之间存在线性关系r=1.9+1.6M,根据硅和铝的晶格常数可知,M＜2时合金熔体才能形成稳定的Si-Si原子团簇,从而在凝固过程中析出初晶硅,达到变质目的。在500K～620K之间,铝硅合金热膨胀系数曲线上出现热膨胀系数峰值αmax,合金元素Ge、Ni和变质元素Ce、P都使仅αmax增大,低于CTE-T曲线峰起始温度时Ce、P均使合金CTE减小,Ce的作用较P明显,Ni、Ge对CTE的影响甚微;在CTE峰值温度以上,Ge、Ce、P使合金CTE减小,Ge的作用较Ce、P明显。合金系CTE的变化是各元素对合金弹性模量、晶界和空位综合作用的结果。合金CTE峰的存在表明Al-12Si合金在500K～620K之间发生了微观结构的明显变化,或者产生了某种亚稳态,铸造铝硅合金固溶时效强化机理很可能与此温度区间内合金组织的微细变化有关,有理由预言时效处理温度提高至500K～620K,可以提高处理效率和效果。通过研究变质剂加入量对合金CTE变化规律发现,未有效变质合金热稳定性差,有效变质合金热稳定性好,磷加入量为200ppm时热稳定性最好。分析脆性系数M与合金熔体及其固体物理性质之间的联系,发现脆性系数与体积弹性模量成负线性相关,而与V/Eα成线性相关。M微弱变化就能反映熔体结构和性质的明显变化,熔体脆性系数M越小,表示液态流体单元越稳定,平衡位置跃迁所需能量越大,相应合金CTE越小。热膨胀系数α、脆性系数m（M）、粘性流体激活能Eα之间存在线性关系:αEα/R∝m和αEα/R∝M,这种线性关系体现了液态结构稳定性与固体组织热稳定性之间本质关系。脆性系数是表征合金液.固相微观结构及其转变的广义特征参量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 本文的主要创新点
• 第一章 绪论
• 1.1 熔体性质的研究
• 1.1.1 金属熔体研究进展
• 1.1.2 熔体性质研究方法
• 1.1.3 熔体粘度研究
• 1.2 熔体脆性概念及发展
• 1.2.1 熔体脆性概念的物理意义
• 1.2.2 金属熔体脆性
• 1.3 过热熔体脆性
• 1.4 本文研究目的及主要内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 实验研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 研究方案和技术路线
• 2.3 熔体粘度测量
• 2.4 DSC（扫描量热）分析
• 2.5 热膨胀特性分析
• 参考文献
• 第三章 脆性与变质
• 3.1 引言
• 3.2 变质剂种类对合金熔体粘度的影响
• 3.3 变质剂加入量对熔体粘度的影响
• 3.4 脆性与变质效果的关系
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 变质与合金热膨胀特性
• 4.1 引言
• 4.2 合金组元对合金热膨胀特性的影响
• 4.3 变质剂加入量对合金热膨胀特性的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 熔体脆性与合金热稳定性
• 5.1 引言
• 5.2 合金热膨胀机理
• 5.3 脆性系数与热膨胀特性的联系
• 5.3.1 M与CTE的关系
• 5.3.2 M与Ea/V、V/Ea的关系
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 熔体脆性与液-固转变
• 6.1 引言
• 6.2 过热熔体脆性与固态热膨胀特性的联系
• 6.3 过冷熔体脆性与玻璃态热稳定性的联系
• 6.4 纯金属的脆性与固态热稳定性的联系
• 6.5 脆性与合金液-固转变特征温度的联系
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• PAPER 1 IN ENGLISH
• PAPER 2 IN ENGLISH
• 学位论文评阅及答辩情况表