（凝聚态物理专业论文）准晶alcufe体系合金液固特性研究.pdf

s t u d yo nl i q u i d - - s o l i dp r o p e r t i e so fq u a s i c r y s t a l a i c u - - f ea l l o y q i nh a i o u u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f g e n gh a o r a n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 0 0，暑呵?、，r、k1、寺 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塞缘殇 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：必导师签名：j 产缘丝日期： 济南大学硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 液态金属结构研究意义1 1 2 金属熔体结构研究现状1 1 3 金属熔体结构的研究方法2 1 4 金属熔体的物理性质3 1 4 1 电阻率3 1 4 1 1 金属熔体电阻率的概念3 1 4 1 2 金属熔体电阻率研究现状3 1 4 1 3 液态金属电阻率测试方法和特点4 1 4 1 4 研究电阻率的意义4 1 4 2 黏度5 1 4 2 1 黏度的定义5 1 4 2 2 黏度的测量方法5 1 4 2 3 黏度的研究现状6 1 4 2 4 合金熔体黏度与温度的关系7 1 5 准晶材料研究现状8 1 5 1 准晶及其特征8 1 5 2 准晶的结构9 1 5 3 准晶的分类1 0 1 5 4 准晶的性质1 0 1 5 5a 1 c u 。f e 系准晶材料的研究1 1 1 5 6 准晶材料的应用1 2 1 6 熔体热处理研究及其应用1 4 1 7 本课题的研究目的和内容15 第二章实验方案设计、实验条件及方法1 7 准晶a l c u f e 体系合金液固特性研究 2 1 研究方案以及技术路线1 7 2 2 实验材料17 2 3 实验仪器以及测量方法18 2 3 1 电阻率测试仪1 8 2 3 1 1 电阻率测量仪器装置。1 8 2 3 1 2 电阻率装置及测试方法1 8 2 3 2 熔体粘度测量仪2 0 2 3 2 1 熔体黏度测量装置2 0 2 3 2 2 黏度试验方法2 1 2 3 3d s c 2 1 2 3 4 凝固曲线实验及方法2l 2 3 5 其它实验测试设备2 2 第三章a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金黏度的研究2 5 3 1 引言2 5 3 2a i c u f e 合金的选取2 5 3 3 实验方法2 5 3 4 结果与分析2 6 3 4 1a 1 6 3 c t l 2 5 f e l 2 合金差热分析2 6 3 4 2a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶合金熔体黏度与温度的关系2 7 3 5 本章小结一2 9 第四章a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金的电阻率温度特性研究3 1 4 1 引言31 4 2a i c u - f e 合金电阻率测试方法31 4 3 两种体系的电阻率特性3 2 4 4 降温速率对a 1 c u f e 体系合金电阻率的影响3 8 4 5 本章小结4 0 第五章a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金的热分析及其凝固组织的研究4 l 5 1 引言4 l i l 济南大学硕士学位论文 5 1 1 金属熔体热处理工艺4 1 5 2 实验过程4 1 5 3 实验结果及分析4 2 5 3 1a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金过热处理结果分析4 2 5 3 2a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金凝固曲线分析4 4 5 4 本章小结4 7 第六章结论与展望4 9 6 1 结论4 9 6 2 创新点4 9 6 3 展望5 0 参考文献51 致谢5 7 附勇毛5 9 一、在校期间发表的学术论文5 9 i i i 准晶a 1 c u f e 体系合金液固特性研究 济南大学硕士学位论文 皇曼曼鼍曼量舅i i mi _ , i i 皇鼍皇曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼量曼量曼曼舅量量舅璺量曼曼曼曼曼鼍量罾曼曼皇舅舅鲁 摘要 本文对准晶体系的a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金进行了黏度测试，并对不同成分的准晶合金 进行了电阻率温度特性的研究，采用d s c 差热分析、快速凝固、熔体热处理等方法 对准晶体系合金a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 液固性质做了深入的研究，并对准晶体系合金液一固变 化特征与凝固组织做了分析。 采用高温熔体黏度仪对准晶体系合金进行的黏度测试结果显示，随着温度从 1 5 4 5 k 降低到1 3 6 5 k ，黏度由3 9 8 1 0 m p a s 升高到5 1 8 0 3 m p a s ，即a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 熔体 黏度在液相线附近随温度的降低而升高，且熔体的黏度在1 4 0 1 1 4 7 3 k 处出现不连续 变化。利用高温d s c 对a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶合金测试，发现合金体除了在晶相转变点出 现了不连续变化外，在高温区间1 1 2 0 附近出现了异常变化，这与黏度的实验结果有 很好的对照作用。根据分析认为，在1 3 6 5 1 4 0 1 k 温度区间，熔体中原子的团簇多数 是以a 1 f e 形式存在，随着温度的升高，a l f e 金属键断裂，迅速形成了新的原子团 簇a 1 c u - f e ，这种原子团簇的体积比m f e 原子团簇的体积较大，故而会产生以上的 异常现象。且温度区间1 4 0 1 1 4 3 7 k 应是这两种原子团簇转变的温度区间。 采用自行研制的四电极测电阻方法测量了准晶体系合金a 1 6 3 c t l 2 5 f e l 2 和 a 1 6 5 c u 2 0 f e l 5 的电阻率温度曲线。实验发现，准晶合金熔体存在着结构的异常变化， 且发生的温度点应在1 1 4 0 左右，这与前面的黏度实验和d s c 结果基本相似，可能是 因为实验仪器的不同所致。通过多次试验发现这种结构的异常变化是不可逆的。通过 改变降温速率的快慢，对a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 体系电阻率进行了测试。发现随着降温速率越 快，电阻率数值增大，且准晶相析出的温度点越高。对另一组准晶合金a 1 6 5 c u 2 0 f e l 5 进行实验，发现同样的电阻率随温度的变化规律。 根据熔体性质的研究，确定准晶合金a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 的热处理过热温度。在相同的 激冷速度下，经1 3 0 0 。c 过热处理后，固态组织比较均匀，准晶相含量明显增多，杂 质相减少；经过1 4 0 0 过热处理后，固态组织更加细化均匀，组织中基本上只剩下 准晶相i 相。d s c 热分析曲线得出，p 相吸热相变与九相相变是连续的吸热过程，体 现在曲线上为同一个吸热峰；在11 2 0 。c 附近出现的吸热峰说明a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶合金 在液相线以上存在结构相变。这表明在相同的激冷速度下，过热度高的有利于准晶相 的提高，且细化了固态组织。 v 准晶a 1 c u f e 体系合金液固特性研究 关键词：准晶合金；电阻率；黏度；液固相；熔体 济南大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，d s c ，r a p i ds o l i d i f i c a t i o na n dt h eh o ts p e e dp r o c e s s i n gm e t h o d sa r e u s e dt os t u d yt h el i q u i d - s o l i dp r o p e r t i e so ft h eq u a s i c r y s t a la 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 a n dm a k ea r e s e a r c ho nt h el i q u i d - s o l i dv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h eh i g ht e m p e r a t u r em e l tv i s c o s i t y i n s t r u m e n ta n dt h ef o u re l e c t r o d er e s i s t a n c ef u r n a c ea r eu s e dt os t u d ya l l o ya 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 t h eh i g ht e m p e r a t u r em e l tv i s c o s i t ym e t e ri n s t r u m e n tw a su s e dt ot e s tt h ev i s c o s i t yo f t h eq u a s i c r y s t a la l l o y t h er e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nt h et e m p e r a t u r er e d u c ef r o m l5 4 5 kt o 1 3 6 5 k , t h ev i s c o s i t yr i s eb y3 9 8 1 0m p a st o5 1 8 0 3m p a s ，n a m e l yt h ev i s c o s i t yv a l u eo f a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2a l l o yi n c r e a s e sw i t ht h et e m p e r a t u r ed e c r e a s i n gn e a rt h em e t a lt e m p e r a t u r e a n dt h em e l tv i s c o s i t yi nt h er a n g e14 01 14 7 3 ka p p e a rd i s c o n t i n u o u sc h a n g e s t h eh i 曲 t e m p e r a t u r ed s ci su s e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a te x c e p tt h eq u a s i c r y s t a lp h a s et r a n s i t i o n p o i n ti ta p p e a r st h ed i s c o n t i n u o u sc h a n g e a tt h et e m p e r a t u r eo fa b o u t112 0 c t h i s e x p e r i m e n t a lr e s u l th a v ev e r yg o o dc o n t r o le f f e c t 、析t ht h ev i s c o s i t yr e s u l t a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i s ，i nt h et e m p e r a t u r er a n g e1 3 6 5 1 4 0 1 kt h ea t o m i cc l u s t e r sm o s t l ye x i s t e db yt h e f o r mo fa 1 一f e ，a n d 、i mt e m p e r a t u r er i s i n gt h em e t a l l i cb o n da l - f ef r a c t u r ea n df o r man e w a t o m sc l u s t e rq u i c k l y a n dt h i sn e wa t o m sc l u s t e r sa r el a r g e rt h a na 1 一f e s oi tw i l lp r o d u c e m o r ea b n o r m a lp h e n o m e n a a n dt h et e m p e r a t u r er a n g e1 4 0 1 1 4 3 7 ks h o u l db et h e t r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r er a n g e t h ef o u re l e c t r o d em e a s u r i n gr e s i s t a n c ei n s t r u m e n ti su s e dt ot e s tt h er e s i s t i v i t yo ft h e m e l ta 1 6 3 c u 2 5 f e l 2a n da 1 6 5 c u 2 0 f e l 5 t h r o u g ht h er e s i s t i v i t yt e s t i n gi ti sf o u n dt h a tt h e l i q u i d l i q u i ds t r u c t u r ec h a n g ee x i s ta b o v et h el i q u i dl i n e a n dt h et e m p e r a t u r ep o i n t ss h o u l d o c c u ra tt h et e m p e r a t u r eo f114 0 。c t h i sr e s u l ti ss o m ed i f f e r e n tf r o mt h er e s u l t so f v i s c o s i t ya n dt h ed s c i tp r o b a b l yb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n te x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t a n d t h ek i n do fs t r u c t u r ea n o m a l o u sc h a n g eb u tn o tr e v e r s i b l e t h a ti st os a yi n t h eq u a s i c r y s t a l m e l te x i s ts u b s t a b l eu n e v e np h e n o m e n o n a n dt h i sp h e n o m e n ac a i lb ee l i m i n a t e db y h e a t i n ga n dp r e s e r v a t i o n u n d e rt h ed i f f e r e n ts p e e do fc o o l i n g ，t h ea 1 6 3 c u 2 5 f e l 2r e s i s t i v i t y v l i 准晶a i c u o f e 体系合金液固特性研究 i sm e a s u r e d i ti sf o u n dt h a t 雒t h ec o o l i n gr a t ef a s t e r , t h er e s i s t i v i t yv a l u ei n c r e a s ef a s t e r a n dt h eip h a s ep r e c i p i t a t ea tt h eh i g h e rt e m p e r a t u r ep o i n t s a n da f t e ra n o t h e rg r o u po f q u a s i c r y s t a lr e s i s t i v i t ye x p e r i m e n t ，i tf o u n dt h a tt h ec o n c l u s i o ni sr e l i a b i l i t y i ti sb e l i e v e d t h a ta sl o n ga l sc o o l i n gr a t ef a s te n o u g ht h el i q u i dp h a s ec a nf o r mip h a s ew i t h o u t p e r i s t a l t i c r e a c t i o n i tc a nb es e e nf r o mt h ed s cc u r v eo ft h ea l l o y , t h e bp h a s ec h a n g ei sac o n t i n u o u s a b s o r p t i o np r o c e s sw i t ht h e 九p h a s ec h a n g e ，r e f l e c t e do nt h ec u r v ei st h es a m eh e a ts i n k p e a k s t h ea b n o r m a ls i n kp e a ka p p e a r e dn e a rt h et e m p e r a t u r eo f112 0 ca c c o u n tt h a tt h e r e i ss t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o na b o v et h el i q u i dp h a s el i n e u n d e rt h es a m es p e e dq u e n c h , o v e r h e a t i n gb y 13 0 0 c ，t h es o l i do r g a n i z a t i o ni s e v e n e r , a n dt h ec o n t e n to fip h a s ei s i n c r e a s e d , t h ei m p u r i t yp h a s ed e c r e a s e s a n da f t e r14 0 0 o v e r h e a t i n g ，t h es o l i d o r g a n i z a t i o ni sm o r ep a r t i c u l a ru n i f o r m ，i nt h eo r g a n i z a t i o nt h e r ei sm a i n l yip h a s e i t s h o w st h a ti nt h es a m eq u e n c ht h eh i g h e ro v e r h e a tm a k e sf o r t h ec o n t e n to ft h eip h a s e ，a n d t h es o l i do r g a n i z a t i o ni sd e t a i l e d k e yw o r d s ：q u a s i c r y s t a l ；r e s i s t i v i t y ；v i s c o s i t y ；s o l i d - l i q u i dp h a s e ；m e l t v i i i 济南大学硕士学位论文 _, i i 曼 第一章绪论 1 1 液态金属结构研究意义 相对于物质的气态和固态，人们对物质的液态的认识还远远不够。特别是金属熔 体，存在于高温环境，易发生氧化反应和成分的污染，因而给测试和分析带来了很多 的困难，但高温熔体具有很好的物理研究意义以及重要的应用前景，所以对熔体的研 究引起了人们广泛的兴趣【1 - 1 0 1 。 半个世纪前，前苏联科学院院士a a 拜科夫就曾经指出：只有在获得可靠的液态 结构和性质的情况下，冶金学才能有技艺转变为一门科学。他把对金属熔体的结构和 性质的研究看成是冶金学的重要问题。2 0 世纪7 0 年代，法国冶金学家m a g e r i e 在名叫 s e v r e s 的实验铸造厂中发现，在成分c 、s i 、m n 、s 、p 相同的条件下，使用不同的原 材料，如平炉生铁、工业纯铁、其他类型的生铁配置的合金铸铁，组织和机械性能差 别很大，他指出，将铸件的某些性能与加入炉内的原材料联系起来，这就是所谓的“遗 传效应”，并发现铸铁铸造生产中的某些缺陷，如白口、热裂与收缩倾向、气孔等都 具有遗传性。前苏联自1 9 8 2 年以来，每隔2 3 年召开一次关于铸造合金遗传性的学术 研讨会，在俄罗斯的斯维尔特洛夫斯克市召开的“液态金属与固态金属相互联系”和古 比雪夫市召开的“铸造合金遗传性”两次学术研讨会上，与会专家们一致提出：要把铸 件的使用性能再提高1 0 3 0 ，金属耗用量降低1 0 一2 0 。而这一目标的实现需要依 靠在液态金属结构方面取得的研究成果，利用金属的组织遗传性和对熔体有影响作用 的各种方法的运用手段来实现。铸造金属遗传性的提出将金属的液态结构与固态组织 以及性能很好地联系起来【1 1 , 1 2 】。 对金属液态结构和性质的深入研究有利于消除凝固材料的质量缺陷，改善铸造材 料的性质，因此，对金属熔体和固体结构的研究有着重大的意义，对于合金液态研究 具有一定促进作用。 1 2 金属熔体结构研究现状 经过多年的努力，人们对金属熔体结构特性有了深入的了解，在液态金属结构的 理论研究和实验上达成了一些共测1 2 】： ( 1 ) 熔体中原子间保持着较强的结合能，因此，原子的排列仍有一定的规律性， 且其平均原子间距增加不大。 ( 2 ) 合金开始熔化时这种结合已经被干扰和部分破坏了，因而，它的排列只是保 准晶a i - c u - f e 体系合金液- 固特性研究 留在较小的范围内，大约十几个到几百个原子组成的结构集团。合金的液态是由许多 原子集团构成的，在原子集团的内部保持着原有的固体的原子排列特性。 ( 3 ) 由于液体中原子热运动的能量较大，其能量起伏也大，每个原子集团内产生 很强的热运动外，还能成组地脱离原有集团而加入新的原子集团或组成新的原子集 团。因此，所有的原子集团都处于瞬息万变状态，时而长大，时而变小，时而产生， 时而消失，此起彼伏，犹如在不停顿地游动。如果说固体中原子在平衡位置上停留的 时间约为其振动周期的1 0 6 1 0 7 倍，而液体中原子在平衡位置上停留的时间大为缩短， 在进行1 0 2 1 0 4 次振动后即可克服势垒而跳跃到另一位置上去。 ( 4 ) 因为原子集团间距离较大且松散，就像存在着很多的“空穴”。既然集团在不 停地“游动”，同时，“空穴”也会不停地“游动”。这种“游动”并不是原有的原子集团和 空穴在熔体中各处游动的，而是此处原子集团和空穴在消失的同时，在另一溶液区又 形成了新的原子团和空穴。空穴使熔体中共有的电子运动发生了变化。原子集团的内 部，原子之间的结合依赖着金属键，一些自由运动的电子是属于此原子集团中所有原 子所公有的，仍具有金属导电特性。在原子流团问，自由电子难以自己飞越空穴，只 能伴随着流团之间的原子变换然后跟着正离子一同运动。从某种意义说，空穴之间的 导电特性有着离子导电的特征。所以许多金属在熔化过程中，电阻率会升高2 倍左右。 ( 5 ) 原子流团的平均大小尺寸、“游动”的速率都和温度有着密切关系。在正常情 况下，随温度的升高，原子流团之间的平均尺寸变小，“游动”速度加快。由于能量起 伏，各处原子集团尺寸也不相同。 综上所述可知，金属熔体是由许多“游动的原子集团”构成的。原子的排列和结合 与原有固态的原子排列相似，但存在着较大的能量起伏而且热运动比较剧烈。另外， 原子集团之间存在着空穴，随着温度的升高，原子集团在变小，其“游动”的更快。 1 3 金属熔体结构的研究方法 现阶段研究合金微观结构主要采用以下三种方法： 第一种方法：直接测量。利用x 射线衍射仪等仪器对液态金属结构进行直接测 试实验【1 3 1 ，从而可以得到液态金属的配位数、偶分布函数等信息，得到金属的液态结 构相关的信息。 第二种方法：分子动力学模拟，也就是利用计算机技术，对合金熔体的分子进行 模拟计算，从而可以得到相关的金属熔体的结构信息。这种方法针对于实际中很难用 2 济南大学硕士学位论文 实验测试的情况有着重要的意义。 第三种方法：对液态结构敏感物性进行测量，例如黏度、密度、电阻率等，从这 些物理量中得到有关液态结构的重要信息。文献资料表明，利用x 射线衍射、电子 衍射和中子衍射等方法，并不能当做可靠的方法来揭示变质和微合金化元素等对金属 液态结构的作用【1 4 】，所以，利用熔体敏感的物性变化揭示结构及原子间相互作用的间 接信息的方法有着独特的意义【1 5 1 。 1 4 金属熔体的物理性质 研究金属熔体物理性质的意义在于，利用对金属熔体结构比较敏感的物理性能例 如电阻率、黏度、磁化率、密度、表面张力等来间接的反应液态金属的结构变化。液 态金属敏感物理特性的变化是其内部组织结构改变的宏观表现1 1 6 1 ，所以测量敏感物理 特性是研究金属熔体结构变化的有效方法。 1 4 1 电阻率 电阻率为金属熔体结构的敏感物理因素之一，在研究熔体的性质时起到重要作 用。 1 4 1 1 金属熔体电阻率的概念 欧姆定律的意义为：一段长是l 、横截面积是a 的匀质材料，在它的两端加上电压 为v ，那么在这段均匀的材料中，电流i 是处处等大小的，同时电流的密度j 也是各处 相同的。电场强度e 是均匀的，可以得到以下公式 卜六re = e 式( 1 1 ) a p 风l l l j 式中，p 为电阻率。一般情况下，金属熔体的电阻率会随温度的升高而线性变大。因 为电阻率反应的是熔体内部电子输运特性，电子输运特性发生变化时其电阻率就会发 生特殊的变化，而熔体结构变化可能引起电子输运的异常变化，所以可以通过电阻率 与温度的关系来间接的探索合金熔体结构的变化。 1 4 1 2 金属熔体电阻率研究现状 在1 9 6 1 年z i m a n 提出的液态电阻率理论之前，研究熔体的电阻率是缺乏理论基础 的。由于z i m a l l 理论【1 7 1 只能解释一些简单的金属熔体的电子输运特性，对于合金熔体 3 准晶a i - c u f e 体系合金液- 固特性研究 中离子对电子作用太强的液态合金来说，这个理论就不再合适了。所以，f a b e r 和z i m a n 直接将液态纯金属电阻率的z i m a n 理论推广到液态合金中去，从而得到了f a b e r - z i m a n 理论，对液态合金的电阻率做了进一步的解释。 作为金属熔体结构重要的敏感物理性质之一，电阻率的研究在金属熔体结构变化 方面有着重要的作用。近年来，学者对一些金属和合金的电阻率与金属熔体结构和特 性变化相关性做了研究，并且得到了一些有价值的结果。黄新明对s i 熔体的黏度、电 阻率、表面张力、密度和介电常数等物理参数随温度的变化进行了测量，发现了在熔 点附近出现异常的变化【1 8 1 。文献【1 9 1 对i n s n 合金熔体高温区域的电阻率进行了测试，发 现了在合金液相线以上的几百度温度区域中，i n s n 4 9 1 和i n s n 7 0 等成分的合金中均存在 着电阻率的异常行为，从而表明这几种合金熔体在这一温度区域中可能发生了结构变 化。 1 4 1 3 液态金属电阻率测试方法和特点 无论是固态金属或是液态金属，他们的电阻率都比较小，为了准确的测量其电阻 率值，目前主要运用以下两种测量方法： ( 1 ) 电极法 电极法中最常见的是四电极直流电流测电阻率法。设备中有四根电极，其中两根 是通入恒定的直流电流，另外两根是来测量导体的电压，通过欧姆定律公式换算求其 电阻率值。此方法在固体的超导测试中常用，这种方法在液态金属的电阻率的测量中 也最为合理。这种方法的测量过程通常是将四根电极埋在带有毛细管的电导池中，电 导池可以是单根的浸入管【2 0 1 ，也可以是双“u 形管【2 1 1 。当坩埚中的金属熔体达到被 测定的温度时，把带有电极的电导池浸入熔体从而使金属填充电导池，进而形成测试 的通电回路。这种电导池一般只能使用一次。 ( 2 ) 无电极法 该方法为不接触法，其中比较普遍运用的是旋转磁场法【2 2 - 2 4 】。但这种方法的测试 设备较贵重，且测试方法过程比较复杂。目前，一般情况下不选用该方法测量金属熔 体的电阻率。 1 4 1 4 研究电阻率的意义 依据z i m a n 理论可知，一般金属熔体电阻率是结构因子的函数，也就是说，金属 熔体的电阻率数值随着温度的升高而变大，成正比关系。但是如果液体结构发生不规 4 济南大学硕士学位论文 律的变化时，电子输运就可能发生变化，从而电阻率也就可能会随之发生异常变化。 所以，可以通过研究电阻率与温度的变化关系来间接推测熔体结构的变化情况，这种 方法在缺乏直接的测量熔体结构特性手段时是很有作用的。通过测量液态金属的电阻 率可以从电子层次研究液态合金结构，使人们能够从更加微观的电子角度来分析液态 结构的变化。通过对电子输运特性的研究来反映物质结构的变化，与其他测试手段比 较，液态合金的电阻率可以从电子输运的角度探索熔体特性及其变化，可以加深对熔 体中结构转变过程的认识，对于了解液态金属结构的本质有着独特的意义。 1 4 2 黏度 1 4 2 1 黏度的定义 黏度体现了原子之间的结合和原子扩散能力的大小，是一个重要的熔体结构敏感 物性参数 2 6 - 2 8 。在合金熔融以后其中的熔体做层流相互对流运动时，可以看成相互平 行的液体层构成熔体结构。相互距离为d v 的临近液体层以不同的速率v 和v 斗d v 相互 运动，那么将有一对大小相等而方向相反的内摩擦力阻碍两液层之间的相互运动。这 个内摩擦力f 与液体层流之间的接触面积a 以及速度梯度“d v 成正比，所以可以得 到f = r l a d v d y 。公式中，q 是比例常数，称为黏度。设a 和曲f d y 的值均为1 时，在数 值上内摩擦力f 等于黏度t 1 。因此黏度的物理表达是：在速度梯度为l 的情况下，黏 度的大小等于作用在单位接触面积上的内摩擦力。 黏度又分为动力黏度和运动黏度，可以从牛顿内摩擦定律中得到。也就是熔体中 流动速度不同的相邻层间的内摩擦力f 正比于这两个相邻流层的接触面积a 以及速 度梯度d u d x 。 f = n a ( d p 毗)式( 1 2 ) 式中，t 1 表示黏度系数或动力黏度，称为黏度其为单位p a s 。 1 4 2 2 黏度的测量方法 目前国内外对金属黏度的测量有多种方法，四种测试方法以及原理如下【2 8 】： ( 1 ) 毛细管法 在体积和外界压力一定的情况下，液体流经一个毛细管所需的时间取决于液体自 身的黏度。这种方法的基本原理就是通过测量液体流动的时间来求液体的黏度。此方 法的测试精度较高，一般作为精密测量。但是其对金属的纯度要求高，否则容易堵住 毛细管，进而影响测量结果的准确性。 5 准晶a i c u f e 体系合金液固特性研究 ( 2 ) 旋转容器法 这种方法是基于浸在液体中的物体的旋转，或物体静止而同时使液体旋转，那么 物体将会受到液体黏滞力矩的作用，黏滞力矩和液体的黏度成正比，从而运用公式就 可计算出液体黏度。b a k h t i y a r o v 和o v e r f e l t 对旋转技术测量金属熔体的黏度做了详尽 的描述 2 9 1 。这种方法适用于测量黏度大的液体，运用这种方法测量方便，有利于得到 大量数据，但是测量精度比较低。 ( 3 ) 振动容器法 这种方法是将盛有待测液体的容器加上一定扭矩，让其转动，这样由于黏滞性作 用使试样与容器之间产生摩擦力，从而使转动衰减直至停止。测量出转动衰减率和所 用的时间，利用公式就能得到液体黏度值。这种方法没有一个理想的计算公式，但这 种方法测量精确度较高，使用较为方便，所以本文中研究所用的黏度测量方法就是振 动容器法。 ( 4 ) 平板摆动法 这种方法是施加一个恒定的力在浸在液体中的平板上，从而让它摆动起来，由于 液体的黏滞作用使平板的振幅比空气中的小，且逐渐减小。测量振幅，就能够算出液 体的黏度。这种方法具有可断续和连续读数，但是在测量黏度低的试样时会不太合适。 1 4 2 3 黏度的研究现状 作为结构敏感物理量之一，黏度的变化是熔体中流层之间相对运动所受到的阻力 变化，可以反映出短程有序的结构变化信息。对于黏度的研究在实践和理论上都有着 重要的意义【3 0 1 。目前，一些重要的熔体物性与熔体结构变化的研究越来越被学者们所 重视。通过对熔体电阻率和黏度的研究发现，一些熔体结构存在着不均匀性，表现为 熔体的微观不均匀性；这种不均匀的实质是合金熔体中存在着原子集团。 b a c h i n s k i i 提出了最早的黏度与液态结构的关系，发现在液体黏流中，自由体积 作用重大【3 1 1 。有关黏度和液体结构之间关系，人们认为当熔体中的原子分布有序程度 降低时，熔体的黏度值下斛3 2 】；如果液态中具有方向共价键，这种液体具有比较低的 配位数和较高的黏度【3 3 1 。黏度是熔体的基本的物理特性之一，并且已经被广泛的应用 于基础研究和生产实践中。人们利用高温回转振动黏度仪进行了大量的试验研究，通 过研究黏度来研究熔体的结构。秦敬玉等人研究表明，温度变化诱发了舢和s n 液体 结构的突变，a l 突变的温度范围为1 0 5 0 1 2 5 0 ，而s n 分别在8 0 0 和1 2 0 0 。c 附近 发生突变；孙民华等人研究表明，发现a l 熔体黏度升温曲线在7 8 0 。c 和9 5 0 左右存 6 济南大学硕士学位论文 在异常变化区域，而在降温过程中曲线在7 5 0 和9 3 0 。c 左右存在异常变化区域；王 焕荣等人研究了共晶g a i n 合金的液态结构与黏度之间的关系 3 4 - 3 6 1 。 熔体物理性质与其结构关系是紧密联系的。目前，研究熔体性质主要是集中在热 力学方面、物理性能、表面性能、传输性能、相图和相变方面的研究【3 7 3 蜘。在物理性 能方面，研究的主要内容为电阻率、黏度、和密度。文献认为，液态合金中所有的分 子都处于不停的热运动状态，从而引起了液态合金里原子数目密度的波动和金属密度 的局部波动，而黏度与这种波动有密切关系。因此通过求解空间一时间波动函数就能 够得出黏度数值【3 9 1 。 1 4 2 4 合金熔体黏度与温度的关系 经过多年的实验研究和总结，学者们提出了两种解决方式h o 】： ( 1 ) 将温度作为影响黏度的首要因素，但是它未能够阐明液体流动的基本机理。 ( 2 ) 以h i l d e b r a n d l 4 1 1 为代表的自由体积概念。也就是当温度升高，由于热扩散 导致液体体积增加，流动性增加，黏度降低。有关黏度温度的表达式比较多，最常 见的有以下三个： a r r h e n i u s 方程： r = a e x p e ( k s t ) 】 式( 1 3 ) 式中，a 是与熔体性质有关的常数，e 是黏滞流动活化能，k b 是玻尔兹曼常数，t 为绝 对温度。其中黏流活化能e 分成两部分能量组成，质点运动形成空穴所须的能量以及 质点通过空穴移动的附加能量。除具有理论意义外，e 的数值大小还可以用来估计液 态黏度的大小。一般来说黏流活化能e 越大，黏度就越大。黏流活化能通过结果能够 得到。下图1 1 是黏度随温度的变化关系图。 7 准晶a i c u f e 体系合金液固特性研究 2 6 崩 一3 ：5 2 4 2 2 譬 1 8 惫 e 多 萎 落 孑 2l 2 毒i n 8 c c 、 n a h - - - 0 6 淦 k1 r n 5 0 4 n 2 j 图1 1 金属液动力黏度与温度的关系【1 2 】 f i g1 1r e l a t i o nb e t w e e nm e t a ll i q u i dv i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r e 【1 2 1 h i d e b r a n d 自由体积线性方程 叫y 三v o r o ) 式( 1 4 ) 式中，v 是原子的摩尔体积，v o 是黏性流动停止时的体积，b 是常数。 a n d r a d e 方程 i v l l 3 = 彳e x p ( c ) 式( 1 5 ) 式中，v 是原子体积，a 和c 是与温度有关的常数。从式( 1 3 ) 可以看出，随着熔体 温度的升高，液体的黏度呈指数形式下降趋势【4 2 删。此公式能较好的适用