共晶系和匀晶系二元合金熔体结构转变及其对凝固的影响

论文摘要

液体结构和性质的认识与许多领域的科技进步息息相关，越来越成为凝聚态物理、材料学、生命科学、冶金及化学等领域共同关注的探索对象。不过人们对液态物质结构和性质的认知相对于固态和气态而言要肤浅得多，然而近年来液态领域的研究取得了不少阶段性成就，为人们从理论上进一步探索液态物质的结构本质提供了丰富的现象学依据。由各类衍射技术和计算机模拟揭示出的种种拓扑及化学短程序大大丰富了液体结构短程有序的物理内涵。压力诱导非连续液-液结构转变的直接实验证据打破了液体结构连续渐变的传统观念；合金温度诱导液-液结构转变的发现填补了液体结构从液相线TL附近到液气临界点Tc之间的空白，而且必将对凝固微观机制的认识及材料的研发和加工产生深远的影响。 然而，温度诱导液-液结构转变的普适性（范围、条件及规律）及其本质尚不清楚；此外，尽管采用“温度处理”、“熔体过热”及“热速处理”等工艺方法改变凝固组织来研究固-液结构依存关系的内容并不鲜见，但温度诱导液-液结构转变影响凝固行为及凝固组织方面的明确而系统的研究未见报道。 本文以共晶系和匀晶系二元合金为研究对象，以电阻法、热电势法及差热扫描分析（DSC）技术为研究手段，系统地研究了二元合金Pb-Sn、Sn-Bi、Pb-Bi、In-Sb的液态电传输性能随温度的变化关系，并与匀晶系Bi-Sb合金的液态电性能变化作对比，分析了上述合金液态性能、结构变化的特征和机理；首次从液-液结构转变是否可逆这一角度探讨了不同组元的二元合金液态结构转变的可逆性及其本质。 此外，根据前述研究所得结果，以液-液结构转变为新的切入点，研究和探讨了二元合金液-液结构转变对凝固行为和凝固组织的影响以及固-液结构的依存关系。 主要研究结果如下： Ⅰ．本文所研究的不同组元的共晶型（Pb-Sn、Sn-Bi、In-Sb、Pb-Bi）和匀晶型（Bi-Sb）二元合金，除了液态In-Sb合金的连续渐变外，在首轮升温过程中均发生了温度诱导的液-液结构转变，不同合金系液-液结构转交的规律和特征不同； Ⅱ．以电阻法为研究手段，发现了液态Sn、Bi、Sb单组元物质在第一轮升温过程中也具有液态结构变化的特征，首次发现了液态Sn的液态结构转变具有部分可逆的性质；据此，提出了富Sn的Pb-Sn、Sn-Bi等二元合金液态结构转变具有的可逆性特征主要与Sn的可逆性有关； Ⅲ．含Bi或Sb的不同成分的Bi-Sb、Pb-Bi二元合金在首轮升温过程中，液态合金电阻率—温度曲线上均出现了类似纯Bi和纯Sb的驼峰形变化特征：而且与纯Bi和纯Sb一样，这种异常变化在降温过程中均不具有可逆性。从热力学角度分析了这种转变的性质和不可逆的原因； Ⅳ．根据液态结构变化的研究结论，以液-液结构转变为新的切入点，研究了Sn-Bi、Bi-Sb合金液态结构变化对凝固行为和凝固组织的影响。结果表明经液-液结构转变后的合金凝固过冷度提高，凝固组织明显细化；从热力学角度，尝试建立了液-液结构转变的物理模型，并以此进一步分析了液—固结构依存关系。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 对液体的一般认识
• 1.1.1 液体的概念
• 1.1.2 液体与固体、气体的异同点比较
• 1.2 液态结构的描述
• 1.2.1.液态结构的相关理论模型及几何描述
• 1.2.2 描述液态结构的主要参数
• 1.2.3 液体结构及粒子间相互作用的理论描述
• 1.3 液态结构的主要研究方法
• 1.3.1 直接测试
• 1.3.2 物性测试
• 1.4 液态电子结构模型及电子运输性质
• 1.4.1 Ziman理论
• 1.4.2 Faber-Ziman理论
• 1.4.3 无序导致的局城态一扩展态转变理论
• 1.5 近年来液态结构研究的新进展
• 1.5.1 液体中的短程有序
• 1.5.2 压力诱导的液液结构转变
• 1.5.3 温度诱导的液液结构转变的研究
• 1.6 液态合金的热历史对凝固组织及性能影响的有关研究
• 1.7 本文研究工作的意义及主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 实验装置、原理及方法
• 2.1 引言
• 2.2 电阻法的测量原理及实验装置
• 2.2.1 测量原理
• 2.2.2 实验设备及试验样品的制备
• 2.2.3 电阻实验中需要考虑的主要问题及解决办法
• 2.3 热电势的测量原理
• 2.3.1 测量原理
• 2.3.2 热电势测量中需要考虑的主要问题
• 2.4 凝固实验的保温温度选择及实验过程
• 2.4.1 凝固实验的保温温度选择依据
• 2.4.2 不同冷却条件下的凝固实验及凝固曲线的测量
• 2.4.3 凝固试样微观组织的观察与分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 共晶系Pb-Sn和Sn-Bi合金熔体结构随温度的变化
• 3.1 引言
• 3.2 Pb-Sn合金电阻率随温度的异常变化
• 3.3 不同成分Sn—Bi合金液-液结构变化的电阻法研究
• 3.4 纯Pb、纯Sn和纯Bi的电阻率随温度的变化关系
• 3.5 分析与讨论
• 3.5.1 对于纯金属Pb、Sn和Bi
• 3.5.2 对于Pb-Sn和Sn-Bi合金
• 3.5.3 对于部分Pb-Sn和Sn-Bi合金可逆性的探讨
• 3.6 共晶成分Pb-Sn合金、Sn-Bi合金热电势随温度的变化
• 3.6.1 金属的热电现象概述
• 3.6.2 Pb-Sn61.9wt％和Sn-Bi57wt％热电势的测量
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 匀晶系Bi-Sb合金及纯组元Bi、Sb的熔体结构转变
• 4.1 引言
• 4.2 不同成分Bi-Sb合金电阻率随温度的变化关系及可逆性研究
• 4.3 纯Bi和纯Sb的电阻率随温度的变化规律及变化的动力学特征
• 4.3.1 纯Bi和纯Sb在升降温过程中的的电阻率—温度曲线及可重复性实验
• 4.3.2 不同升温速率下Bi的电阻率随温度的异常变化及其动力学特征
• 4.3.3 不同保温温度条件Bi的电阻率随时间变化
• 4.4 本章总结
• 参考文献
• 第五章 复杂共晶系Pb-Bi和In-Sb熔体结构转变及可逆性
• 5.1 引言
• 5.2 不同成分的In-Sb合金电阻率随温度的变化
• 5.3 不同成分的Pb-Bi合金电阻率随温度的变化及可逆性分析
• 5.4 不同合金系的液态结构变化特征比较与讨论
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 液-液结构转变对凝固行为和凝固组织的影响
• 6.1 引言
• 6.2 液-液结构转变对共晶系Sn-Bi合金的凝固组织及行为的影响
• 6.2.1 熔炼温度的选取和实验过程
• 6.2.2 凝固行为和凝固组织的的观察、分析
• 6.2.2.1 Sn-Bi40wt％液-液结构转变前、后的不同熔体随坩埚凝固的冷却曲线
• 6.2.2.2 Sn-Bi40wt％液-液结构转变前、后的不同熔体随坩埚凝固的金相组织
• 6.2.2.3 Sn-Bi57wt％液-液结构转变前、后的不同熔体随坩埚冷却的凝固行为及凝固组织
• 6.2.2.4 Sn-Bi57wt％液-液结构转变前、后浇注于铁模凝固的金相组织
• 6.3 液—液结构转变对匀晶Bi-Sb10wt％合金的凝固组织及行为的影响
• 6.4 液-液结构转变对二元合金凝固影响的模型分析
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• Ⅰ.研究工作内容概要
• Ⅱ.主要研究结论
• Ⅲ.创新之处
• Ⅳ.尚待进一步解决的问题
• 博士期间发表的文章
• 致谢