超过冷Fe-B共晶合金中的亚稳相及非平衡凝固规律

论文摘要

本文采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的深过冷技术，在真空高频熔炼条件下对富Fe端Fe-B共晶系合金进行了深过冷实验。分析了影响合金熔体净化效果的主要因素及微观净化机制，提出了该合金获得深过冷甚至超过冷的工艺路线。借助ICP、DSC、SAED、SEM、XRD等分析手段，系统研究了该共晶系合金的组织演化与熔体过冷度间的关系。借助经典形核理论、瞬态形核理论以及枝晶生长理论分析了过冷熔体中的组织形成、相选择以及亚稳相与稳定相的竞争形核关系。提出了Fe-B共晶合金深过冷条件下非规则共晶组织的形成机制。考察了亚稳共晶合金的热稳定性和软磁性能。主要结论如下：1．预抽真空、氩气保护、B2O3熔融玻璃包覆和循环过热相结合的净化方法能够最大可能地抑制Fe-B共晶系合金熔体的形核，从而在大体积合金熔体中获得了深过冷和超过冷。采用此工艺方法成功地使Fe83B17共晶合金稳定获得了324K～460K的超过冷度，使Fe80B20过共晶合金熔体的过冷度达到了485K。从而使Fe-B共晶系合金熔体开始形核前的初始过冷度达到了（0.3～0.4）Tm的水平。2．大量实验结果表明，Fe83B17共晶合金随过冷度变化其组织演化遵循如下规律：△T＜50K，形成了完全的规则层片（α-Fe／Fe2B）共晶；50K≤△T＜300K，形成了初生相为Fe2B的过共晶组织；300K≤△T＜386K，初生相Fe2B消失，凝固组织逐渐成为完全的α-Fe／Fe2B非规则共晶组织。△T≥386K时，亚稳相Fe3B取代稳定相Fe2B直接从液相中析出，形成了α-Fe／Fe3B非规则共晶组织，并且Fe3B相在随后的冷却中没有发生固态转变而被保留到了室温。3．运用LKT／BCT枝晶生长理论模型，分析了过冷Fe83B17共晶合金熔体中α-Fe相和Fe2B相的竞争生长，准确获得了富Fe端过冷Fe-B共晶系合金的共晶共生区和组织选择图。4．当亚稳相Fe3B形成时发生显著的晶粒粗化，其主要机制是：当亚稳相Fe3B形成时，熔体已达超过冷状态。在大过冷度下，熔体形核主要受界面原子扩散控制，随着过冷度的继续增大，原子扩散越不容易，从而导致了形核率减小。然而，此时晶体生长的驱动力（超过冷）又足够大，从而导致了快速生长，于是就出现了晶粒粗化。5．深过冷Fe83B17共晶合金熔体中亚稳相形成的主要机制是亚稳相Fe3B在与稳定相Fe2B的竞争形核中胜出，即在给定成分的合金中，对于同样满足形核热力学条件的亚稳相和稳定相，当亚稳相的形核孕育时间小于稳定相时，亚稳相Fe3B优先析出并完全抑制了稳定相Fe2B的形成。6．深过冷Fe83B17共晶合金竞争形核的理论和实验结果分析表明，在同时满足形核热力学条件的两相竞争形核中，对于亚稳相的形成，形核的动力学条件显得更为重要；亚稳相Fe3B的晶体结构也是决定其优先形核的一个重要因素；相对于经典形核理论，在相同的热物性参数下，基于瞬态形核理论的形核孕育时间更能准确地预测亚稳相与稳定相的竞争形核。7．深过冷Fe-B共晶合金熔体中非规则共晶组织的形成机制为：规则层片共晶组织通过碎断、熟化形成非规则共晶，或Fe2B（Fe3B）相首先形核，建立起互相贯通的共晶骨架，而α-Fe相在这些骨架中形核和生长，从而形成非规则共晶组织。8．通过超过冷快速凝固技术从液相中直接析出的亚稳相Fe3B能够在1223K-1273K的温度范围内稳定存在一定时间，即：Fe3B（?）α-Fe+Fe2B。其热稳定性比非晶晶化法形成的亚稳相Fe3B的热稳定性更高。9．Fe83B17共晶合金软磁性能的测试结果表明，采用超过冷快速凝固技术制备的亚稳相合金具有比相应准稳态合金和非晶合金更加优异的软磁性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 本文的主要创新及贡献
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 液态金属的深过冷及超过冷快速凝固技术
• 1.1.1 液态金属的深过冷及超过冷凝固组织特征
• 1.1.2 过冷熔体中的瞬态形核理论
• 1.1.3 过冷熔体中的枝晶生长理论
• 1.1.4 获得深过冷的方法
• 1.2 共晶合金的深过冷快速凝固
• 1.2.1 共晶合金的凝固组织及两相共生区
• 1.2.2 共晶合金深过冷快速凝固的主要研究成果
• 1.3 非平衡亚稳相材料研究
• 1.3.1 亚稳相材料的研究意义
• 1.3.2 亚稳相的分类
• 1.3.3 获得亚稳相的方法
• 1.3.4 亚稳相材料的深过冷制备技术
• 1.4 磁性材料的发展
• 1.4.1 磁性材料及其分类
• 1.4.2 磁性材料的磁化曲线
• 1.4.3 磁性材料的磁滞回线
• 1.4.4 金属软磁材料的发展
• 1.5 小结
• 第二章 研究目标、内容及方法
• 2.1 研究目标
• 2.2 研究内容
• 2.3 实验材料、设备及方法
• 2.3.1 合金的选择
• 2.3.2 实验设备
• 2.3.3 实验方法
• 2.4 合金试样组织分析
• 2.4.1 成分分析
• 2.4.2 结构分析
• 2.4.3 X-射线衍射分析
• 2.4.4 DTA、DSC差热分析
• 2.4.5 合金试样磁性能分析
• 2.5 技术路线
• 第三章 Fe-B共晶合金的净化及超过冷的获得
• 3.1 影响Fe-B共晶合金熔体净化效果的因素
• 3.2 Fe-B共晶合金熔体的净化机制
• 3.2.1 熔融玻璃净化
• 3.2.2 循环过热净化
• 3.3 熔体超过冷状态判据
• 3.4 Fe-B共晶合金的超过冷
• 3.5 小结
• 第四章 深过冷/超过冷Fe-B共晶合金的组织演化
• 4.1 过冷Fe-B共晶合金熔体的冷却曲线及凝固组织
• 4.2 深过冷Fe-B共晶系合金的组织演化
• 4.2.1 亚共晶合金的组织演化规律
• 4.2.2 共晶合金的组织演化
• 4.2.3 过共晶合金的组织演化规律
• 83B₁₇共晶合金的组织演化'>4.3 超过冷Fe₈₃B₁₇共晶合金的组织演化
• 4.3.1 亚稳相的形成及形貌和结构鉴定
• 4.3.2 超过冷共晶合金组织演化
• 4.4 小结
• 第五章 过冷Fe-B共晶合金中的相选择
• 5.1 亚稳相与稳定相的竞争形核机制
• 5.1.1 热力学竞争机制
• 5.1.1.1 亚稳相与稳定相热力学转变
• 5.1.1.2 竞争形核的经典形核理论
• 5.1.2 竞争形核的动力学机制
• 5.1.3 相结构的竞争机制
• 5.2 小结
• 第六章 过冷Fe-B合金的共晶共生区和组织选择图
• 83B₁₇共晶合金中α-Fe/Fe₂B相的竞争生长'>6.1 过冷Fe₈₃B₁₇共晶合金中α-Fe/Fe₂B相的竞争生长
• 6.2 深过冷Fe-B共晶合金的相组成及组织选择图
• 6.3 过冷Fe-B共晶合金中规则共晶的生长
• 6.4 深过冷Fe-B共晶合金中非规则共晶的形成机制
• 6.5 小结
• 第七章 超过冷亚稳相合金的稳定性及磁学性能
• 7.1 亚稳相材料的热处理
• 3B的热稳定性'>7.2 亚稳相Fe₃B的热稳定性
• 7.3 亚稳相共晶合金的稳定化转变机制
• 83B₁₇合金的软磁性能'>7.4 亚稳Fe₈₃B₁₇合金的软磁性能
• 7.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢