合金熔體脆性的廣義性研究.pdf

1、研究液態(tài)金屬及合金的性質(zhì)，尤其是它們的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，是冶金物理與化學(xué)的主要問(wèn)題。合金固體組織和性能在很大程度上取決于熔體的性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)熔體的處理可以從本質(zhì)上改善合金固相組織，獲取最佳應(yīng)用性能。
　　 粘度是結(jié)構(gòu)敏感性物理量，通過(guò)對(duì)合金熔體粘滯特性的研究可以揭示熔體微觀結(jié)構(gòu)變化。合金熔體粘滯性特點(diǎn)可以采用熔體脆性理論加以分析，合金熔體脆性理論是關(guān)于合金熔體性質(zhì)的重要理論。過(guò)冷熔體脆性可以描述合金過(guò)冷態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的性質(zhì)

2、，脆性系數(shù)m能判定合金玻璃形成能力：脆性系數(shù)越小，合金的玻璃形成能力越強(qiáng)。由于玻璃轉(zhuǎn)變溫度難以確定，以及對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的依賴性，在計(jì)算合金熔體脆性系數(shù)時(shí)容易出現(xiàn)偏差。過(guò)熱熔體脆性概念以合金液相線溫度標(biāo)度溫度，提高了脆性計(jì)算的確定性，并可以直接從合金熔體過(guò)熱脆性系數(shù)M判斷其非晶形成能力，不必制備非晶合金后再研究其玻璃轉(zhuǎn)化性質(zhì)。二十余年來(lái)，為制備大塊金屬非晶，合金熔體脆性概念被廣泛用來(lái)研究玻璃的弛豫現(xiàn)象和判斷合金非晶形成能力。最近，科研人員發(fā)現(xiàn)

3、脆性系數(shù)與合金固態(tài)物理性質(zhì)體積彈性模量存在一定關(guān)聯(lián)，但是如何建立定性關(guān)系卻鮮有研究。建立合金熔體脆性和固態(tài)物性之間的關(guān)系，進(jìn)一步揭示合金液-固轉(zhuǎn)變本質(zhì)具有非常重要的理論意義和實(shí)踐意義。
　　 本文以高純共晶Al-12Si合金為重點(diǎn)研究對(duì)象，通過(guò)粘度測(cè)量方法，獲取合金熔體粘度隨溫度變化的信息，探索變質(zhì)處理對(duì)合金熔體性能的影響規(guī)律，引入熔體脆性理論，揭示變質(zhì)處理的微觀機(jī)理。通過(guò)測(cè)量合金熱膨脹系數(shù)的變化，分析合金尺寸熱穩(wěn)定性，探索合金

4、原子振動(dòng)與合金熔體中原子跳躍頻率之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)熱穩(wěn)定性的分析，研究合金熔體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與固態(tài)組織熱性能之間的本質(zhì)規(guī)律。
　　 對(duì)磷變質(zhì)鋁硅合金粘度的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)磷變質(zhì)處理后，合金熔體的粘度增大，磷的加入量不同對(duì)合金粘度的影響程度不同。未達(dá)到有效變質(zhì)的加入量使臨近液相線溫度的粘度劇烈增加，有效變質(zhì)的合金熔體粘度增加幅度不大。經(jīng)赤磷變質(zhì)后Al-Si合金粘度急劇增大，是未變質(zhì)合金粘度的2倍，Al-2.5P中間合金變質(zhì)后合金粘度僅比未

5、變質(zhì)粘度增加約5％。比較鋁硅合金熔體過(guò)熱脆性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)脆性系數(shù)和變質(zhì)效果有如下關(guān)系：未變質(zhì)合金熔體脆性系數(shù)最大，有效變質(zhì)合金脆性系數(shù)較小。過(guò)熱熔體脆性系數(shù)M=2可以作為判斷磷變質(zhì)效果的臨界值。研究發(fā)現(xiàn)變質(zhì)后Al-12Si合金粘性流體激活能Ea和原子間距r發(fā)生改變，脆性系數(shù)M與熔體原子間距r之間存在線性關(guān)系r=1.9+1.6M，根據(jù)硅和鋁的晶格常數(shù)可知，M＜2時(shí)合金熔體才能形成穩(wěn)定的Si-Si原子團(tuán)簇，從而在凝固過(guò)程中析出初晶硅，達(dá)到變質(zhì)

6、目的。
　　 在500K～620K之間，鋁硅合金熱膨脹系數(shù)曲線上出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)峰值αmax，合金元素Ge、Ni和變質(zhì)元素Ce、P都使αmax增大，低于CTE-T曲線峰起始溫度時(shí)Ce、P均使合金CTE減小，Ce的作用較P明顯，Ni、Ge對(duì)CTE的影響甚微；在CTE峰值溫度以上，Ge、Ce、P使合金CTE減小，Ge的作用較Ce、P明顯。合金系CTE的變化是各元素對(duì)合金彈性模量、晶界和空位綜合作用的結(jié)果。合金CTE峰的存在表明Al-1

7、2Si合金在500K～620K之間發(fā)生了微觀結(jié)構(gòu)的明顯變化，或者產(chǎn)生了某種亞穩(wěn)態(tài)，鑄造鋁硅合金固溶時(shí)效強(qiáng)化機(jī)理很可能與此溫度區(qū)間內(nèi)合金組織的微細(xì)變化有關(guān)，有理由預(yù)言時(shí)效處理溫度提高至500K～620K，可以提高處理效率和效果。通過(guò)研究變質(zhì)劑加入量對(duì)合金CTE變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，未有效變質(zhì)合金熱穩(wěn)定性差，有效變質(zhì)合金熱穩(wěn)定性好，磷加入量為200ppm時(shí)熱穩(wěn)定性最好。
　　 分析脆性系數(shù)M與合金熔體及其固體物理性質(zhì)之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)脆性系數(shù)