液—液结构转变对熔体分形特征和凝固行为的影响

论文摘要

液体的多形性（Polymorphism）以及结构转变现象已成为人类共识,并在科学技术领域得到高度关注。其中,温度诱导液-液结构转变已为国内外研究者在多种合金体系中被发现及验证。多年来,人们探索一些熔体热处理工艺方法来改变材料的组织和性能,并往往被证明有显著效果,因此固体材料对于母相液体的热历史相关性也成为重要研究前沿之一。然而,到目前为止,人们对液态结构及其转变的认识深度和广度还远远不够,基于液-液结构转变改变凝固行为、微观组织等方面的研究则更少。这些不足是本文研究的切入点,也是主要内容。由于液态结构及其转变的复杂性,本文尝试运用分形理论和统计方法探索液态结构特征,从新的视角认识温度诱导液-液结构转变内在本质与机理。另一方面,运用自由凝固和定向凝固两种方式,选用纯金属和不同类型的二元合金,系统考察液-液结构转变对凝固过程中形核、生长机制、微观组织缺陷、溶质再分配系数、生长取向及固液界面形态等方面的影响。主要结论和创新点归纳如下:第一,运用分形方法分析In-80wt%Sn、In-49.1wt%Sn和In-20wt%Sn合金液态结构,结果显示,液态结构是多度域分形结构,是由低维分形结构、高维分形结构及其间的过渡区域组成。根据两分形结构组成特点,提出了液态结构多度域模型。表征分形特征的物理量——分形维数与电阻、内耗、粘度等参量一样也可以作为一个结构敏感参量。液态合金的过剩熵与其低维分形维数的线性关系说明了在一定程度上分形维数能够反映液体结构信息,也使分形维数与传统结构参数之间建立了联系。多度域分形结构中高维结构和低维结构随温度的不同变化特征说明了液-液结构变化的临界特性对空间维数的依赖关系,揭示了非整数维空间中液态合金结构变化的物理规律。基于硬球模型和超微粒线度效应,温度诱导In-Sn合金液-液结构变化的机制可能是团簇线度减小到能产生线度效应,类固型的团簇结构在此效应的作用下转变为原子结合更紧密、面对面结合的多四面体结构。第二,引入R/S分析（rescaled range analysis）液态In-20wt%Sn和In-80wt%Sn合金的偶分布函数,发现液态中距离参考原子r处发现一个原子的概率遵循Hurst幂律关系,这种概率出现的规律是高指数的分数布朗运动。与平均近邻原子间距一样,Hurst指数也随温度发生了变化。但不同于传统结构参数,Hurst指数具有其独特的物理意义,液-液结构转变时Hurst指数的变化表明发现原子的概率偏离分数布朗运动,倾向于布朗运动,Hurst指数的跳动是液相从一种结构转变为另一种结构的表现。第三,以液-液结构转变作为新的切入点,选用纯Bi、过共晶Pb-90wt%Sn合金、亚共晶Sn-40wt%Bi合金和匀晶Bi-10wt%Sb合金进行自由凝固实验,研究发现液-液结构转变大幅加强了凝固过程中的形核控制作用,提高了形核率,提高了形核过冷度、生长速度和加速度。液-液结构转变促进了纯Bi凝固组织中孪晶数量大幅增加,产生台阶聚并现象,晶界附近形成很多树枝晶。液-液结构转变使溶质分配系数较大的Sn-40wt%Bi合金枝晶容易产生熔断现象,由粗大树枝晶变为等轴晶,而溶质分配系数较小的Pb-90wt%Sn合金液-液结构转变后枝晶尺度虽然也减小,但其形貌仍为树枝晶。对于组织以等轴晶形式存在的Bi-10wt%Sb合金,液态结构转变使凝固组织形貌由不均匀不规则变为均匀三角星状,且使晶粒尺寸明显减小。第四,自制了定向凝固装置,成功实现了Pb-80wt%Sn、Pb-90wt%Sn和Pb-99wt%Sn的定向凝固实验。发现熔体结构转变减小了溶质非平衡分配系数,增加了固液界面前沿的溶质富集程度,减小了胞晶间距和二次枝晶间距。液-液结构转变对晶体生长取向的影响主要是随凝固长度增加,液-液结构转变使合金实现高指数晶面取向,加剧了低指数晶面分支现象。液-液结构转变增大了Pb-80wt%Sn、Pb-99wt%Sn合金的定向凝固固液界面不稳定性。在水淬冷速条件下时,熔体结构变化后的Pb-80wt%Sn合金枝晶尖端、Pb-99wt%Sn合金胞晶尖端能够进入其固液界面前沿的成分过冷区,继续向液相生长;而液-液结构转变前合金的枝晶和胞晶尖端被阻止伸入固液界面前沿的成分过冷区,从而能够保留较完好的固液界面。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 液态金属结构及其在不同外加物理场作用下的变化
• 1.1.1 液态金属结构
• 1.1.2 外加物理场作用下的液体结构转变
• 1.1.3 液-液结构转变机理概述
• 1.2 熔体热历史及有关处理工艺对凝固影响的进展
• 1.3 分形理论在材料科学中的应用
• 1.3.1 断裂方面的研究进展
• 1.3.2 凝固和相变方面的研究进展
• 1.3.3 材料微结构方面的研究进展
• 1.4 定向凝固技术研究进展
• 1.4.1 传统的定向凝固技术
• 1.4.2 新型定向凝固技术
• 1.5 定向凝固过程中的温度梯度和生长速率的控制
• 1.5.1 定向凝固过程中的温度梯度的控制
• 1.5.2 定向凝固过程中的生长速率的控制
• 1.6 本文研究工作的意义及主要研究内容
• 第二章 研究路线和定向凝固装置的设计与组装
• 2.1 研究路线
• 2.2 定向凝固装置的设计与组装
• 2.2.1 定向凝固原理
• 2.2.2 定向凝固装置的设计方案
• 2.2.3 定向凝固装置的温度场和温度梯度
• 2.2.4 抽拉系统的实用性验证
• 2.3 本章小结
• 第三章 液态 In-Sn 合金的分形结构及其变化
• 3.1 分形分析方法——Sandbox 法
• 3.2 X 射线衍射实验及数据处理
• 3.3 液态合金多度域分形结构及模型
• 3.4 产生多度域分形的物理机制
• 3.4.1 产生多度域分形的物理原因
• 3.4.2 分形维数的物理内涵
• 3.5 基于硬球模型和线度效应的液-液结构转变机制探讨
• 3.6 本章小结
• 第四章 液态原子分布的 Hurst 指数规律
• 4.1 R/S 分析简介
• 4.2 In-Sn 合金的 R/S 分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 液-液结构转变对熔体自由凝固的影响
• 5.1 预备知识
• 5.1.1 Newton 热分析法简介
• 5.1.2 热分析曲线上温度特征值的定义
• 5.2 熔体结构转变对纯金属 Bi 自由凝固的影响
• 5.2.1 液-液结构转变对纯金属Bi 生长机制的影响
• 5.2.2 液-液结构转变对纯金属Bi 凝固动力学的影响
• 5.3 熔体结构转变对 Pb-90wt%Sn 合金自由凝固的影响
• 5.4 熔体结构转变对 Sn-40wt%Bi 合金自由凝固的影响
• 5.5 熔体结构转变对 Bi-10wt%Sb 合金自由凝固的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 液-液结构转变对熔体定向凝固的影响
• 6.1 液态结构变化对溶质分配系数的影响
• 6.1.1 实验方法
• 6.1.2 结果与讨论
• 6.2 液态结构变化对定向凝固晶体取向的影响
• 6.2.1 实验方法
• 6.2.2 结果与讨论
• 6.3 液态结构变化对胞晶、二次枝晶生长的影响
• 6.3.1 实验方法
• 6.3.2 熔体结构转变对Pb-99wt%Sn 胞晶生长的影响
• 6.3.3 熔体结构转变对Pb-80wt%Sn 二次枝晶生长的影响
• 6.4 液态结构变化对非稳态定向凝固固液界面形貌的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究工作内容概要
• 7.2 主要研究结论
• 7.3 创新之处
• 7.4 尚需进一步解决的问题
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 参考文献