液-液結構轉(zhuǎn)變對熔體分形特征和凝固行為的影響.pdf

1、液體的多形性(Polymorphism)以及結構轉(zhuǎn)變現(xiàn)象已成為人類共識，并在科學技術領域得到高度關注。其中，溫度誘導液-液結構轉(zhuǎn)變已為國內(nèi)外研究者在多種合金體系中被發(fā)現(xiàn)及驗證。多年來，人們探索一些熔體熱處理工藝方法來改變材料的組織和性能，并往往被證明有顯著效果，因此固體材料對于母相液體的熱歷史相關性也成為重要研究前沿之一。然而，到目前為止，人們對液態(tài)結構及其轉(zhuǎn)變的認識深度和廣度還遠遠不夠，基于液-液結構轉(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，也是主要內(nèi)容。 由于液態(tài)結構及其轉(zhuǎn)變的復雜性，本文嘗試運用分形理論和統(tǒng)計方法探索液態(tài)結構特征，從新的視角認識溫度誘導液-液結構轉(zhuǎn)變內(nèi)在本質(zhì)與機理。另一方面，運用自由凝固和定向凝固兩種方式，選用純金屬和不同類型的二元合金，系統(tǒng)考察液-液結構轉(zhuǎn)變對凝固過程中形核、生長機制、微觀組織缺陷、溶質(zhì)再分配系數(shù)、生長取向及固液界面形態(tài)等方面的影響。主要結論和創(chuàng)新點歸納如下： 第一，運用分形方法分

3、析In-80wt％Sn、In-49.1wt％Sn和In-20wt％Sn合金液態(tài)結構，結果顯示，液態(tài)結構是多度域分形結構，是由低維分形結構、高維分形結構及其間的過渡區(qū)域組成。根據(jù)兩分形結構組成特點，提出了液態(tài)結構多度域模型。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結構敏感參量。液態(tài)合金的過剩熵與其低維分形維數(shù)的線性關系說明了在一定程度上分形維數(shù)能夠反映液體結構信息，也使分形維數(shù)與傳統(tǒng)結構參數(shù)之間建立了聯(lián)系

4、。多度域分形結構中高維結構和低維結構隨溫度的不同變化特征說明了液-液結構變化的臨界特性對空間維數(shù)的依賴關系，揭示了非整數(shù)維空間中液態(tài)合金結構變化的物理規(guī)律。基于硬球模型和超微粒線度效應，溫度誘導In-Sn合金液-液結構變化的機制可能是團簇線度減小到能產(chǎn)生線度效應，類固型的團簇結構在此效應的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)樵咏Y合更緊密、面對面結合的多四面體結構。 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)一個原子的概率遵循Hurst冪律關系，這種概率出現(xiàn)的規(guī)律是高指數(shù)的分數(shù)布朗運動。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)結構參數(shù)，Hurst指數(shù)具有其獨特的物理意義，液-液結構轉(zhuǎn)變時Hurst指數(shù)的變化表明發(fā)現(xiàn)原子的概率偏離分數(shù)布朗運動，傾向于布朗運動，Hurst指數(shù)的跳動是液相從一種結構轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結構的表現(xiàn)。 第三，以

6、液-液結構轉(zhuǎn)變作為新的切入點，選用純Bi、過共晶Pb-90wt％Sn合金、亞共晶Sn-40wt％Bi合金和勻晶Bi-lOwt％Sb合金進行自由凝固實驗，研究發(fā)現(xiàn)液-液結構轉(zhuǎn)變大幅加強了凝固過程中的形核控制作用，提高了形核率，提高了形核過冷度、生長速度和加速度。液-液結構轉(zhuǎn)變促進了純Bi凝固組織中孿晶數(shù)量大幅增加，產(chǎn)生臺階聚并現(xiàn)象，晶界附近形成很多樹枝晶。液-液結構轉(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-液結構轉(zhuǎn)變后枝晶尺度雖然也減小，但其形貌仍為樹枝晶。對于組織以等軸晶形式存在的Bi-10wt％Sb合金，液態(tài)結構轉(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，成功實現(xiàn)了Pb-80wt％Sn、Pb-90wt％Sn和Pb-99wt％Sn的定向凝固實驗。發(fā)現(xiàn)熔體結構轉(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-液結構轉(zhuǎn)變對晶體生長取向的影響主要是隨凝固長度增加，液-液結構轉(zhuǎn)變使合金實現(xiàn)高指數(shù)晶面取向，加劇了低指數(shù)晶面分支現(xiàn)象。液-液結構轉(zhuǎn)變增大了Pb-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，熔體結構變化后的Pb-80wt％Sn合金枝晶尖端、Pb-99wt％Sn合金胞晶尖端能夠進入其固液界面前沿的成分過冷區(qū)，繼續(xù)向液相生長；而液-液結構轉(zhuǎn)變前合金的枝