幾種合金熔體的不均勻性及其特征研究.pdf

1、大量的研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬在不同的條件下表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和性質(zhì)，而作為初始狀態(tài)的液相又與金屬的最終凝固組織存在著密切的聯(lián)系。這使得原本屬于凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的液態(tài)金屬研究逐步被鑄造和冶金工作者所重視。
　　 研究表明，很多合金熔體中存在著不均勻現(xiàn)象，而且表現(xiàn)為多種形式，例如，存在于升溫過程中的亞穩(wěn)不均勻現(xiàn)象；難混溶合金的液相分離現(xiàn)象；某些熔體中穩(wěn)定存在著原子間化學(xué)作用強(qiáng)烈的原子團(tuán)簇，使得熔體處于微觀不均勻狀態(tài)。在實(shí)際過程當(dāng)中，這

2、些不均勻現(xiàn)象對(duì)合金的熔煉和制備具有不可忽視的影響，因此進(jìn)一步揭示熔體的各種不均勻現(xiàn)象及其特點(diǎn)具有重要的理論和實(shí)際意義。本文通過熔體的物理性質(zhì)測(cè)試，對(duì)幾種合金熔體的不均勻現(xiàn)象展開了以下研究：
　　 1.合金熔體在升溫過程中的亞穩(wěn)不均勻現(xiàn)象采用熔體電阻率測(cè)試裝置，測(cè)量了Bi-Ga偏晶體系熔體在升降溫過程中的電阻率。結(jié)果顯示，熔體的電阻率在升溫過程中出現(xiàn)異常變化，而在降溫過程中與溫度呈線性關(guān)系。分析表明，不混溶區(qū)間外成分的Bi-Ga合

3、金熔體在升溫過程中存在著亞穩(wěn)微觀不均勻現(xiàn)象，固態(tài)組織中一些富Bi或富Ga的微區(qū)由于分解的滯后被遺傳到了熔體中。這種現(xiàn)象歸因于該類合金熔體中同類原子間的結(jié)合力高于異類原子間的結(jié)合力，以及兩組元元素間存在較大的密度差。微區(qū)的成分取決于合金熔體的成分。進(jìn)一步升溫導(dǎo)致微區(qū)的分解，使得熔體從微觀不均勻狀態(tài)向均勻狀態(tài)過渡，在降溫過程中表現(xiàn)為不可逆。
　　 難混溶Bi33.3Ga66.7合金熔體在升溫至液相分離溫度以上依然存在著明顯的不均勻現(xiàn)

4、象。通過等溫電阻率測(cè)試，研究了該合金熔體的等溫均勻化過程，基于熔體電阻率在等溫過程中的變化特點(diǎn)，推導(dǎo)了描述熔體等溫均勻化過程的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，也即熔體中第二相液滴體積與等溫時(shí)間的關(guān)系：
　　 通過該關(guān)系式分析發(fā)現(xiàn)，不均勻熔體中第二相Ga液滴在573 K以下具有較大的尺寸，尺寸越大，其受到由密度差引起的浮力越大，浮力明顯阻礙了擴(kuò)散過程，使得熔體均勻化需要較長的時(shí)間。而升溫至673 K以上時(shí)，第二相液滴尺寸突然減小，浮力對(duì)擴(kuò)散的阻礙作

5、用明顯降低，隨著等溫溫度的繼續(xù)提高，熔體均勻化所需的等溫時(shí)間近線性縮短。
　　 研究了Sn對(duì)Bi33.3Gass.7合金熔體中亞穩(wěn)不均勻現(xiàn)象的影響。發(fā)現(xiàn)Sn的添加減小了熔體中第二相液滴的尺寸，降低了液滴與基體熔體間的界面張力，從而降低了不均勻現(xiàn)象的穩(wěn)定性和縮短了等溫均勻化所需時(shí)間。Sn的作用在573 K的較低溫度下更為明顯。
　　 2.難混溶合金的液相分離現(xiàn)象研究通過電阻率測(cè)試研究了Bi33.3Ga66.7合金熔體的液相

6、分離現(xiàn)象，并著重研究了Sn、In對(duì)難混溶Bi33.3Ga66.7合金熔體液相分離的影響。結(jié)果顯示，Sn能夠降低Bi33.3Gass.7合金熔體的液相分離溫度、偏晶反應(yīng)溫度、不混溶區(qū)間的寬度，從而減弱合金熔體的液相分離趨勢(shì)；In的添加提高了Bi33.3Ga66.7合金熔體的液相分離溫度，降低了偏晶反應(yīng)溫度，增寬了不混溶區(qū)間的寬度，也即In加劇了合金熔體的液相分離趨勢(shì)。
　　 通過熱力學(xué)計(jì)算，分析了添加元素與難混溶合金各組元的混合行

7、為。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析不同添加元素對(duì)液相分離的影響機(jī)理發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加元素與難混溶合金的各組元均呈現(xiàn)自配位傾向時(shí)，該添加元素能夠提高難混溶合金各組元間的互溶度，從而減弱合金的液相分離趨勢(shì)；當(dāng)添加元素與難混溶合金的一組元呈現(xiàn)自配位傾向而與另一組元呈現(xiàn)異配位傾向時(shí)，該添加元素降低了難混溶合金各組元間的互溶度，從而增強(qiáng)了合金的液相分離趨勢(shì)。
　　 3.合金熔體中的原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)測(cè)量了有化合物形成傾向的In-Bi體系合金熔體的電阻率，發(fā)現(xiàn)熔體的

8、電阻率在升降溫過程中具有較好的一致性，說明該類熔體在升溫過程中不存在類似于Bi-Ga偏晶體系熔體中的亞穩(wěn)不均勻現(xiàn)象。但是，基于Nordheim定律的電阻率分析進(jìn)一步證實(shí)了In-Bi熔體中穩(wěn)定存在著化學(xué)結(jié)合較強(qiáng)的InBi類型原子團(tuán)簇，說明In-Bi熔體不是理想的均勻熔體，熔體處于熱力學(xué)穩(wěn)定的微觀不均勻狀態(tài)。通過電阻率數(shù)據(jù)，估算了熔體中InBi類型原子團(tuán)簇在不同溫度下的含量，發(fā)現(xiàn)InBi原子團(tuán)簇的摩爾分?jǐn)?shù)XInBi與溫度T呈現(xiàn)如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

9、
　　 XInBi=x0exp(Q/T)在降溫至熔點(diǎn)以上不太高的溫度處，In50Bi50熔體中的InBi原子團(tuán)簇含量達(dá)到較高值，表現(xiàn)出明顯的濃度起伏，導(dǎo)致熔體的電阻率正偏離于高溫下的線性關(guān)系。
　　 根據(jù)熔體的電阻率特點(diǎn)，推斷In-Bi體系熔體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：在0～50 at.％In的成分區(qū)間內(nèi)，熔體表現(xiàn)為InBi類型的原子團(tuán)簇分布在近Bi性質(zhì)的基體中；在50 at.％～100 at.％In的成分區(qū)間內(nèi)，熔體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為I

10、nBi類型的原子團(tuán)簇分布在近In性質(zhì)的基體中。
　　 初步探討了合金熔體電阻率與熱力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，熔體的剩余電阻率△ρ與｜△Hm△Sm｜存在著一定聯(lián)系。對(duì)于673 K下的In-Bi體系熔體，通過計(jì)算分析獲得△ρ與｜△Hm△Sm｜的關(guān)系如下：△p=-1+(2+｜△Hm△Sm｜)1.8exp[_5.8(x-0.5)2]采用高溫熔體黏度儀測(cè)量了Al-12wt.％Sn-4wt.％Si合金熔體在降溫過程中的黏度，發(fā)現(xiàn)熔體的黏度在11

11、03 K和968 K處出現(xiàn)異常增大，計(jì)算表明熔體的流團(tuán)尺寸和黏流激活能也伴隨著突然增大。分析認(rèn)為，在降溫至1103 K-1138 K溫度間隙時(shí)，熔體中Si-Si和Sn-Sn原子團(tuán)簇迅速長大；在降溫至968 K-998 K溫度間隙處，熔體中的Si-Si原子團(tuán)簇可能出現(xiàn)較大幅度的增長。依據(jù)熔體中原子團(tuán)簇的變化特點(diǎn)，對(duì)合金熔體進(jìn)行激冷處理，結(jié)果顯示，熔體激冷處理工藝能夠?qū)⒏邷厝垠w中較小的原子團(tuán)簇保留到澆注溫度，從而產(chǎn)生較深的過冷，進(jìn)而細(xì)化了合