强静磁场下二元合金凝固行为研究

论文摘要

强静磁场下的金属凝固是新发展的研究方向,本文采用定向凝固等手段,以Al Cu、Al Ni和Bi Mn合金为对象,实验研究了强静磁场（文中称为强磁场）对二元合金凝固的影响;深入考察了强磁场作用下二元合金单相生长界面稳定性、胞晶和枝晶生长,共晶生长、晶体取向和相变等规律,建立模型分析了强磁场的多种物理效应,得到有价值的结论。在Al-Cu二元单相合金的生长中,发现强磁场导致晶体平界面生长变得不稳定和不规则,同时也促使胞晶和枝晶生长不稳定与分枝甚或混乱。在较低的磁场下的胞晶生长中,产生环状组织。随磁场强度的增加,枝晶的一次间距增加,高次枝晶间距减小。在合金定向凝固中发现存在多尺度的热电磁效应,此效应引起热电磁流动和作用于固相上的热电磁力。强磁场下定向凝固界面稳定性降低和胞晶/枝晶分枝与热电磁流动和热电磁力相关。固相中的热电磁力和不规则性热电磁流动可以引发界面和枝/胞晶的不稳定性和分枝。建立了理论和数值模型,对定向凝固热电磁流动和热电磁力进行了分析,发现随着磁场强度的增加,热电磁流动逐渐达到最大值;之后,热电磁流动逐渐减小,而作用在固相上的热电磁力则随着磁场强度和温度梯度的增加呈线性增加。提出在强磁场下定向凝固过程中界面扩散边界层因磁化使溶质富积,进而促进界面和枝/胞晶不稳定生长的观点。在Al-Cu单相合金枝晶生长中,发现强磁场使得α-Al枝晶趋于以<111>方向转向磁场方向,即使枝晶因热电磁力的作用而生长混乱的情况下,仍以<111>方向转向磁场方向,形成取向组织。在Al-Ni过共晶合金定向凝固中,强磁场使得条状Al3Ni初生晶生长偏离磁场方向,在足够强的磁场中形成规则的层状组织。分析表明,上述现象产生的原因是,具磁各向异性的晶体在磁场中受力的作用而发生重新取向。.在Al Al2Cu和Al Al3Ni共晶的生长中,发现强磁场减小片状和纤维状共晶间距,导致带状组织的形成;并可以引发片状共晶的退化。进而,提出了在磁场下共晶生长过程中扩散边界层磁化和溶质富积模型,认为由于在固液界面处溶质富积,因而改变磁化率,从而导致磁力线发生弯曲,产生横向磁场梯度,影响了原子的扩散,进而改变共晶间距和导致带状组织的形成。发现强磁场可以使常规条件下无取向特性的Al Al2Cu共晶具备特定取向,强制Al2Cu共晶相以[001]晶向沿磁场方向取向;进而,提出了强磁场作用下片状共晶取向模型和生长模型。研究表明,强磁场在共晶固相中将诱生热电磁应力,该应力可以促使片状共晶形貌的不稳定和退化。研究了强磁场对凝固相变的影响,提出了利用物质在梯度强磁场中的受力变化测定相变点的方法。其原理为,当相变发生时,物质磁化率改变,从而其在梯度磁场中的受力相应发生变化,通过测量该力的变化可判定物质发生相变的温度点,从而测得相变温度的变化。利用这一方法测定了Bi Mn合金包晶相变温度随磁场强度的变化,结果发现随着磁场强度的增大,该相变温度逐渐增大,在10T磁场下相变温度提高20℃左右。观察了该合金在包晶相变过程中组织的变化,发现在强磁场下,随着相变的进行,生成相的形态发生沿垂直磁场方向分裂,平行磁场方向聚合的变化。建立模型分析了磁场对相变温度的影响,结果与实验一致。发现强磁场使Bi Mn合金的BiMn相以<001>方向沿磁场方向取向排列,从而导致强的磁各向异性,剩磁成倍提高;随着磁场强度和作用时间的增加,磁各向异性逐步增强。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 概述
• 1.2 强磁场对流动的影响研究
• 1.2.1 磁场抑制流体流动作用
• 1.2.2 强磁场引发液体流动的作用
• 1.2.2.1 强磁场对温差电流引起流动的促进作用（热电磁对流）
• 1.2.2.2 强磁场引起磁对流的作用
• 1.3 磁场对相变的影响
• 1.4 强磁场下晶体的取向行为研究
• 1.5 磁力和磁悬浮
• 1.6 本工作的意义及研究内容
• 第二章 强磁场对界面稳定性和枝胞晶生长，取向的研究
• 2.1 强磁场定向凝固装置和实验过程
• 2.2 强磁场对界面稳定性和形态转变的影响
• 2.3 强磁场对胞晶生长的影响
• 2.4 强磁场对枝晶生长的影响
• 2.4.1 Al-4.5wt%Cu 合金枝晶生长
• 2.4.2 A1-12wt%Ni 合金初生晶
• 2.5 分析和讨论
• 2.5.1 强磁场对凝固热力学参数影响的评
• 2.5.2 强磁场下扩散边界层磁化和溶质富积及其对界面稳定性影响
• 2.5.3 磁晶各向异性对晶体生长和取向的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 合金凝固中的热电磁效应-热电磁流和热电磁力
• 3.1 热电磁流
• 3.1.1 热电磁流理论分析和评估
• 3.1.2 热电磁流的数值模拟
• 3.1.3 实验验证
• 3.2 热电磁力
• 3.3 本章小结
• 第四章 强磁场对共晶定向凝固组织的影响研究
• 4.1 实验材料及实验方法
• 4.2 片状共晶Al-Al2Cu
• 4.2.1 强磁场对定向凝固Al-Al2Cu 共晶的金相组织形态的影响
• 4.2.2 强磁场对定向凝固Al-Al2Cu 共晶组织取向的影响
• 4.2.3 定向凝固Al-Al2Cu 共晶合金的位错分析
• 4.3 纤维状共晶Al-Al3Ni
• 4.4 分析和讨论
• 4.4.1 强磁场对定向凝固过程中共晶取向的影响机理
• 4.4.2 强磁场对共晶间距的影响和带状组织的形成
• 4.4.3 强磁场对共晶生长的不稳定性和位错的形成分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 强磁场对Bi-Mn合金包晶相变及其凝固组织的影响
• 5.1 梯度强磁场下测定相变方法和实验过程
• 5.2 磁场下包晶相变点温度变化
• 5.3 磁场对包晶相变过程中组织变化的影响
• 5.4 强磁场对磁性能的影响
• 5.5 强磁场下相变热力学和相形态变化分析
• 5.5.1 强磁场下相变热力学
• 5.5.2 强磁场下形态的变化机制分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录（磁学单位换算表）
• 博士生期间发表及待发表的论文目录
• 致谢