偏晶合金的快速凝固及相分离研究

论文摘要

本文采用单辊实验技术研究了Ni-Pb和Cu-Pb偏晶合金的快速凝固及组织特征,通过将金属熔体的热传导方程和Navier-Stokes方程相耦合,理论计算了液态合金的冷却速率,深入研究了急冷快速凝固条件下Ni-Pb和Cu-Pb偏晶合金的组织演变规律,定量分析了快速凝固Cu-Pb合金的电阻率、抗拉强度和伸长率,探索了冷却速率和组织形态与合金性能的相关性。研究结果表明:在快速凝固条件下,Ni-8%Pb亚偏晶合金的凝固组织由（Ni）枝晶和晶间（Pb）相组成。当粒子直径较大时,晶体生长方向性很强,形成柱状晶组织;当粒子直径较小时,熔体形核率高,凝固组织以均匀细小的等轴晶为特征。随着冷却速率的增大,晶体形态由粗大枝晶向细小等轴晶转变。Ni-60%Pb过偏晶合金的液相分离在很大程度上受到抑制,组织细小、均匀,未产生宏观偏析。随着冷却速率的增大,凝固组织显著细化。Cu-Pb过偏晶合金在急冷快速凝固过程中,（Cu）相以枝晶方式在过冷熔体中快速生长,富Pb相或分布于（Cu）枝晶的晶界处或分布于枝晶的内部。随着冷却速率的增大,液相分离被抑制,晶粒尺寸变小,富（Pb）相分布更趋均匀。Cu-Pb偏晶合金中在偏晶温度以下存在温度区间较宽的液/固相共存区,对合金的相分离影响不显著。在急冷快速凝固条件下,由于冷却速率大,凝固时间短,又受到辊面驱动的剪应力的强制作用,（Cu）枝晶的上浮运动受到抑制,组织的均匀性大幅度提高。随着含Pb量的升高和冷却速率的增大,合金相固溶度扩展,凝固组织显著细化,晶界增多,对自由电子的散射作用增强,导致Cu-Pb过偏晶合金的电阻率显著增大。另外,随着冷却速率的增大,晶粒细化,晶体缺陷数量增多,合金的抗拉强度增大,而伸长率减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 研究背景和意义
• 1.1 引言
• 1.2 快速凝固特征
• 1.2.1 偏析程度减小
• 1.2.2 固溶度扩展
• 1.2.3 组织细化
• 1.2.4 形成亚稳相
• 1.2.5 形成非晶态
• 1.3 实现快速凝固的途径
• 1.3.1 深过冷快速凝固
• 1.3.2 急冷快速凝固
• 1.4 快速枝晶生长
• 1.4.1 快速枝晶生长模型
• 1.4.2 快速枝晶生长动力学
• 1.5 偏晶合金的快速凝固
• 1.5.1 偏晶合金平衡相图
• 1.5.2 偏晶合金凝固理论
• 1.5.3 偏晶转变及液相分离特征
• 1.6 低维金属材料的电学性能
• 1.6.1 Fuchs理论
• 1.6.2 M-S模型
• 1.6.3 量子方法
• 1.7 快速凝固合金的力学性能
• 1.8 本课题的研究内容
• 2 研究内容及方法
• 2.1 研究对象
• 2.2 实验装置及方法
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 实验过程及方法
• 2.3 研究方案
• 2.3.1 快速凝固合金冷却速率的理论计算
• 2.3.2 凝固组织分析
• 2.3.3 合金的电学性能
• 2.3.4 合金的抗拉强度及伸长率
• 2.4 本章小结
• 3 快速凝固Ni-Pb偏晶合金的相分离研究
• 3.1 平衡凝固分析
• 3.2 Ni-8%Pb亚偏晶合金快速凝固组织演变
• 3.2.1 合金粒子的组织形态
• 3.2.2 合金条带的组织形态
• 3.3 Ni-60%Pb过偏晶合金快速凝固特征
• 3.3.1 合金粒子的组织特征
• 3.3.2 合金条带的组织形态
• 3.4 冷却速率对凝固组织的影响
• 3.5 本章小结
• 4 Cu-Pb过偏晶合金的快速凝固
• 4.1 平衡凝固分析
• 4.2 快速凝固组织演变规律
• 4.2.1 Cu-75%Pb过偏晶合金的凝固组织
• 4.2.2 Cu-86%Pb过偏晶合金的组织形态
• 4.3 熔池的温度场
• 4.4 冷却速率的理论计算
• 4.5 快速凝固组织形成机制
• 4.6 冷却速率对凝固组织形貌的影响
• 4.7 本章小结
• 5 快速凝固Cu-Pb过偏晶合金的性能表征
• 5.1 合金的电阻率
• 5.1.1 冷却速率对合金电阻率的影响
• 5.1.2 Pb含量对合金电阻率的影响
• 5.2 合金的力学性能
• 5.2.1 抗拉强度
• 5.2.2 伸长率
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在校学习期间发表论文及所获奖励