复相合金的快速凝固及电阻率研究

论文摘要

本文选取偏晶、包晶和共晶三种不同类型的复相合金作为研究对象，较为系统地研究了急冷快速凝固条件下复相合金的组织形成规律，对比分析了急冷与深过冷两种快速凝固过程的共性和差异，同时探索了快速凝固复相合金的电学性能特征。取得了以下主要研究结果：研究了Fe-Sn和Cu-Pb系偏晶合金在快速凝固过程中的组织和相选择规律、相分离行为和晶体生长特性，揭示了快速偏晶转变动力学机制。在急冷快速凝固条件下，液相分离在很大程度上受到抑制，各种成分的偏晶合金均获得了均匀弥散的微观组织。在Fe-Sn偏晶系合金中，大的冷却速率使较高温度下惯常发生的包晶转变被抑制。Fe-15．6％Sn亚偏晶合金由单相α-Fe固溶体组成；Fe-40％Sn亚偏晶合金和Fe-48．8％Sn偏晶合金除形成过饱和的α-Fe相之外，还形成了具有六方晶体结构的亚稳相Fe1.3Sn和β-Sn；Fe-58％Sn过偏晶合金则形成了α-Fe相与亚稳的β-Sn、Fe1.3Sn和FeSn2相。随着冷却速率增大，亚稳相种类及数量趋于增多，偏晶、亚偏晶合金的组织形态由柱状晶向等轴晶转变，过偏晶合金则因发生液相分离和熔体流动而形成规则排布的纤维状组织。在Cu-Pb偏晶系合金中，偏晶、亚偏晶合金中富Cu相以枝晶方式在过冷熔体中快速生长。其分枝能力很强，将富Pb的L2液滴包覆其中，凝固形成晶内细小的（Pb）相。富Pb相在很大程度上分布于（Cu）枝晶的晶内。过偏晶合金的凝固组织由不规则的团块状富Cu相和分布于其间的富Pb相加细小的（Cu）枝晶混合相组成。随着冷却速率增大，晶粒尺寸显著减小，组织形态由粗大枝晶向细小的等轴晶转变。通过系统地研究Co-Cu和Fe-Cu系包晶系合金急冷快速凝固行为，揭示了包晶合金的组织演变规律和液相分离动力学机制。在Co-Cu系合金中，快速凝固使Co在（Cu）相中的固溶度从平衡条件下的7．46％扩展到20％。当C0>80％Cu时，包晶相（Cu）可从过冷熔体中直接形核析出，形成单相（Cu）的凝固组织。随着冷速增大，组织形态由等轴晶向柱状晶转变。C0在40～70％Cu成分范围内，液相分离被抑制，凝固组织呈现出明显的分区结构——辊面细晶区和自由面粗晶区。细晶区中αCo和（Cu）相竞争形核，并以枝晶方式交互生长，形成形态细密的两相混合组织。粗晶区中αCo为领先相，一定量的富Cu相分布于αCo枝晶间隙，形成以αCo为主相的凝固组织。Fe-Cu包晶合金发生液相分离的成分范围较窄，约在40～66．4％Cu之间。由于液池底部动量和能量传输的共同作用，液池底部形成了高160～300μm的热边界层和160～240μm的动量边界层。随着雷诺数的增大，热边界层厚度单调增大，而动量边界层厚度先缓慢减小后稍有回升，随之急剧减小。当Re<1024时，动量传输作用较强，液相流动对组织形成影响显著，分离液相易于形成纤维状凝固组织。当Re>1024时动量传输受到抑制，能量传输作用显著增强，冷速增大，容易获得均匀细小的等轴晶组织。系统地探索了共晶合金的快速凝固及其组织演变规律，揭示了不规则共晶的形成机制。在大的过冷度或冷却速率下，共晶合金的组织形态以不规则共晶为特征。两相竞争形核、随机分枝和交互生长导致不规则共晶的形成。随着冷速的增大，共晶组织显著细化，均匀性明显提高。对比分析了偏晶、包晶和共晶三种不同类型复相合金快速凝固的个性和共性规律。在深过冷和急冷两种快速凝固方式中，尽管深过冷熔体可获得较大的形核过冷度，但其冷却速率相对较小。而急冷快速凝固的冷却速率高达106K／s。三类合金的凝固行为对冷却速率均十分敏感。随着冷却速率的增大，复相合金的竞争形核和生长态势增强，凝固组织显著细化，均匀性提高。凝固特性表现为：不规则共晶凝固、包晶相独立形核生长和相分离受到抑制。急冷快速凝固比深过冷快速凝固更容易获得组织细小、均匀弥散的快速凝固组织。通过深入研究三种不同类型合金的快速凝固特征，揭示了复相合金的微观结构与电阻率之间的相关性。随着冷速增大，Fe-Sn偏晶系合金亚稳相数量增多，对自由电子散射作用增强，合金电阻率显著增大；Cu-Pb偏晶系合金因固溶度、（Pb）相弥散度和晶粒细化及晶体缺陷密度引起的散射源增多，合金电阻率显著增大。冷速增大使包晶系合金的晶界、位错等晶体缺陷数量增多，对自由电子的散射作用增强，合金的电阻率也呈现出明显地增大趋势。由于冷速增大，共晶合金相中的固溶度增大，晶界和晶体缺陷数量增多，对自由电子的散射作用增强，合金的电阻率显著增大。当晶界散射系数r→1时，可使用M-S模型对快速凝固复相合金的电阻率进行理论计算。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 快速凝固的物理条件
• 1.2.1 冷却速率
• 1.2.2 过冷度
• 1.2.3 凝固环境
• 1.3 快速凝固特征
• 1.3.1 溶质截留
• 1.3.2 晶粒细化
• 1.3.3 亚稳相的形成
• 1.3.4 非晶态凝固
• 1.4 不同类型合金的快速凝固
• 1.4.1 快速枝晶生长
• 1.4.2 快速共晶生长规律
• 1.4.3 快速包晶转变特点
• 1.4.4 快速偏晶转变及液相分离特征
• 1.5 低维金属材料的电学性能
• 1.5.1 金属薄膜电阻率理论
• 1.5.2 多晶薄膜的尺寸效应
• 1.5.3 金属薄膜的量子尺寸效应
• 1.6 本文的研究目标及课题来源
• 参考文献
• 第二章 研究方案与实验装置
• 2.1 研究对象
• 2.2 实验装置研制
• 2.2.1 急冷快速凝固实验装置
• 2.2.2 实验方法及过程
• 2.3 急冷熔体温度场和流速场的理论计算
• 2.3.1 数学模型的建立
• 2.3.2 计算方法及流程
• 2.4 总体研究方案
• 2.4.1 微观组织及相结构分析
• 2.4.2 快速凝固相关物理参量的理论分析
• 2.4.3 合金的电学性能分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 Fe-Sn偏晶合金的急冷快速凝固
• 3.1 引言
• 3.2 合金成分的选择
• 3.3 Fe-48.8%Sn偏晶合金快速凝固组织特征
• 3.3.1 冷却速率的理论计算
• 3.3.2 合金的相结构分析
• 3.3.3 快速凝固组织演变规律
• 3.4 Fe-15.6%Sn亚偏晶合金的急冷快速凝固
• 3.4.1 合金的相结构分析
• 3.4.2 单相α-Fe的柱状生长组织形态
• 3.4.3 α-Fe枝晶的快速生长行为
• 3.5 Fe-40wt%Sn亚偏晶合金的急冷快速凝固特征
• 3.5.1 快速凝固合金的相结构分析
• 3.5.2 快速凝固组织特征
• 3.5.3 柱状晶生长动力学分析
• 3.6 Fe-58%Sn过偏晶合金组织形成规律
• 3.6.1 合金的相选择特征
• 3.6.2 快速凝固组织特征
• 3.6.3 液相流动与组织形态的对应关系
• 3.6.4 剪应力对凝固组织形成的影响
• 3.6.5 冷却速率对凝固组织形成的影响
• 3.6.6 快速凝固组织的形成机制
• 3.7 快速凝固Fe-Sn二元合金的电学特性
• 3.7.1 亚稳相结构与合金电阻率的相关规律
• 3.7.2 冷却速率对合金电阻率的影响
• 3.8 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Cu-Pb偏晶合金的快速凝固组织演变
• 4.1 引言
• 4.2 合金成分的选择
• 4.3 Cu-Pb偏晶合金的快速凝固组织特征
• 4.3.1 Cu-10%Pb亚偏晶合金的组织演变规律
• 4.3.2 Cu-37.4%Pb偏晶合金的组织特征
• 4.3.3 偏晶凝固过程中（Cu）枝晶快速生长行为
• 4.3.4 Cu-64%Pb过偏晶合金的组织形态
• 4.4 Cu-Pb偏晶合金快速凝固动力学机制
• 4.4.1 冷却速率对凝固组织形成的影响
• 4.4.2 液固相变时间与组织形成的相关性
• 4.4.3 液相流动的影响作用
• 4.4.4 均匀偏晶合金的形成条件
• 4.5 快速凝固Cu-Pb偏晶合金的电阻率分析
• 4.5.1 Pb含量对合金电阻率的影响
• 4.5.2 冷却速率与合金电阻率之间的关系
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 包晶合金的快速凝固及其电学特性
• 5.1 快速凝固Co-Cu包晶合金电学性能
• 5.1.1 引言
• 5.1.2 合金成分的选择
• 5.1.3 快速凝固过程中的相选择
• 5.1.4 冷却速率的理论计算
• 5.1.5 快速凝固合金的组织特征
• 5.1.6 快速凝固Co-Cu包晶合金的电学特性
• 5.2 Fe-Cu包晶合金的快速凝固特征及其电学特性
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 合金成分的选择
• 5.2.3 液池的温度场
• 5.2.4 快速凝固过程中的液相流动行为
• 5.2.4.1 液相流动速度场
• 5.2.4.2 流速矢量场及流态分析
• 5.2.4.3 动量和能量传输边界层分析
• 5.2.5 快速凝固Fe-Cu包晶合金的组织演变规律
• 5.2.5.1 Fe-50%Cu包晶合金的快速凝固组织
• 5.2.5.2 Fe-60%Cu包晶合金的组织演变
• 5.2.5.3 Fe-40%Cu包晶合金的快速凝固组织特征
• 5.2.6 快速凝固Fe-Cu包晶合金的电阻率
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 共晶合金的快速凝固组织与性能
• 6.1 引言
• 6.2 Ni-Sn合金的快速凝固特征
• 6.2.1 共晶共生区及共晶生长动力学分析
• 6.2.2 Ni-28%Sn和Ni-30%Sn亚共晶合金快速凝固的组织形
• 6.2.3 Ni-32.5%Sn共晶合金的快速凝固组织演变规律
• 6.2.3.1 快速凝固共晶合金的相结构
• 6.2.3.2 快速凝固共晶合金的组织形态
• 6.2.4 急冷和深过冷条件下快速凝固对比分析
• 6.2.4.1 合金的过冷度和冷却速率
• 6.2.4.2 深过冷条件下共晶合金的组织形态
• 6.2.5 不规则共晶的形成机制
• 6.2.6 快速凝固Ni-32.5%Sn共晶合金的电学性能
• 6.3 快速凝固Co-Sn合金的组织形态与电学特性
• 6.3.1 Co-20%Sn亚共晶合金的组织形态
• 6.3.2 Co-34.2%Sn共晶合金的组织形态
• 6.3.3 冷却速率的理论计算
• 0线和αCo枝晶生长速度的理论计算'>6.3.4 T₀线和αCo枝晶生长速度的理论计算
• 6.3.5 Co-Sn合金的电阻率
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 作者简历