金属熔体结构随温度变化的时间滞后性规律研究

论文摘要

许多金属材料的制备过程都包含液-固转变,作为母相的液体结构和性质对所形成的固体材料的组织和性能有重要影响。虽然人们对液态金属熔体的结构进行了大量的实验和理论研究,但是,国内外的研究主要集中在熔体在一定温度下的结构及其随温度的变化上,未见有温度变化后其结构随时间的变化规律研究。本文主要研究熔体温度变化后,其电阻率、形核过冷度和凝固组织随时间的变化规律。取得的主要研究结果主要有:采用四电极法对连续升降温和非连续升降温后过热和过冷液态镓的电阻率进行了测定。结果发现温度变化后液态镓的电阻率随保温时间的延长而发生变化。温度快升后,液态镓的电阻率随保温时间的延长而增大,温度快降后,液态镓的电阻率随保温时间的延长而减小。这说明镓熔体结构的变化滞后其温度的变化。这一滞后时间超过20分钟。在连续升降温过程中,在同一温度下液态镓的在升温过程中的电阻率小于其在降温过程中的电阻率,这与温度快变后液态镓电阻率随时间的变化规律是一致的。首次发现镓熔体电阻率随温度的变化在熔点温度附近具有不连续性。加热过程中,过冷镓熔体的电阻率在接近镓的熔点时有一个突变。连续加热时,完成突变所需的时间为6分钟左右;急速加热时,完成突变所需时间为7分钟左右。经过过热的镓熔体冷到其熔点温度以下时,其电阻率的突变存在非常明显的滞后性,镓熔体的电阻率开始发生突变的滞后时间超过67分钟,镓熔体电阻率发生突变所用的时间为7分钟。采用DSC热分析技术研究了过热的镓熔体降温后的保温时间与形核过冷度及放热峰面积的关系。结果发现,镓的形核过冷度及放热峰面积均随降温后的保温时间的延长而减小,这与镓熔体电阻率实验所得结果是一致的。建立了预测液态金属原子团尺寸的理论模型。根据此模型可确定液态金属中最大原子团尺寸与温度的关系。从此模型中预测的液态镓中最大原子团尺寸随温度变化规律符合其电阻率、过冷度和结晶潜热随温度的变化实验规律。研究了熔体加热温度和保温时间对Al-11.6%Si合金显微组织及性能的影响。结果发现:合金液的加热温度和保温时间不仅影响合金凝固的组织,而且也影响其力学性能。将合金液温度从720℃升到900℃,共晶硅由粗大的针片状变为点状或短棒状、合金抗拉强度提高了6.33%、延伸率提高了10.83%。升温后的保温时间对合金组织和力学性能的影响时间不同于降温后的保温时间,随升温后保温时间的延长,合金的组织变细、抗拉强度和延伸率提高;随降温后保温时间的延长,合金的组织变粗、抗拉强度和延伸率降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景、目的和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的与意义
• 1.2 研究熔体结构的理论基础
• 1.2.1 液态电子结构模型及电子运输性质
• 1.2.2 熔体结构的相关理论模型
• 1.2.3 液体结构参数
• 1.2.4 对金属液态结构的认识
• 1.3 熔体结构的研究现状
• 1.3.1 熔体结构的研究方法现状
• 1.3.2 熔体结构研究成果现状
• 1.4 存在的问题与本课题研究内容
• 1.4.1 存在问题
• 1.4.2 本课题研究的内容及重点
• 2 实验条件与方法
• 2.1 电阻率的测量
• 2.1.1 实验原理与内容
• 2.1.2 实验设备与步骤
• 2.1.3 实验中需要注意的问题
• 2.2 镓的形核过冷度与结晶潜热随温度变化规律
• 2.2.1 实验原理与内容
• 2.2.2 实验设备与步骤
• 2.3 合金凝固组织及性能随温度变化规律
• 2.3.1 实验原理与内容
• 2.3.2 实验设备与步骤
• 2.3.3 实验中要注意的问题及解决办法
• 3 液态镓电阻率随温度变化的时间滞后性研究
• 3.1 过热状态下镓电阻率随温度的变化规律
• 3.1.1 镓熔化后电阻率随时间的变化规律
• 3.1.2 温度快升快降后液态镓电阻率随保温时间的变化规律
• 3.1.3 连续加热和冷却过程中镓熔体电阻率随温度的变化规律
• 3.2 过冷状态下镓电阻率随温度的变化规律
• 3.2.1 熔点温度附近过冷镓电阻率随温度的变化规律
• 3.2.2 经过过热后过冷镓电阻率随温度的变化规律
• 3.2.3 连续升降温过程中过冷镓电阻率随温度的变化规律
• 3.3 本章小结
• 4 镓的过冷度和结晶潜热随温度变化的滞后性研究
• 4.1 温度变化后的保温时间对镓过冷度的影响
• 4.2 温度变化后的保温时间对镓结晶潜热的影响
• 4.3 金属液中原子团的尺寸随温度变化关系的计算
• 4.3.1 镓熔体原子团尺寸及其数目随温度的变化规律
• 4.3.2 镓熔体中尺寸最大的原子团及其所含原子数随过冷度的变化规律
• 4.4 本章小结
• 5 AL-11.6%SI合金凝固组织及性能随温度变化的滞后性
• 5.1 熔体温度处理的理论依据
• 5.2 熔体热历史对AL-11.6SI凝固组织及其性能的影响
• 5.2.1 加热温度对Al-11.6%Si合金组织的影响
• 5.2.2 升温后的保温时间对Al-11.6%Si合金组织的影响
• 5.2.3 降温后的保温时间对Al-11.6%Si凝固组织的影响
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢