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(材料加工工程专业论文)快速凝固铝基中间合金的研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
摘要 摘要 本论文利用透射电镜、扫描电镜、x 射线衍射仪和差示扫描量热仪等测试手 段,以铝基中间合金为对象,主要研究:快速凝固合金中纳米晶的分布和结晶取 向,以及与化合物形成倾向的相关性;快速凝固合金中树枝晶的形成与择优取向: 合金成分、淬火条件等因素对快速凝固合金组织形成的影响;快速凝固合金显微 组织选择图的建立。 粘度和过剩体积是合金熔体重要的热物理性质,粘度是结构敏感物性,而过 剩体积对熔体性质有重要影响。a 1 s r 合金熔体的粘度随温度的升高而减小,粘度 随温度的变化符合指数衰减规律,粘度的变化反映了熔体结构的变化。根据自由 体积理论,利用混合焓和过剩熵,计算了a 1 s r 合金熔体的过剩体积和密度。结果 表明,在整个成分范围内,过剩体积为负值,说明a 1 一s r 合金熔体中异类原子间存 在较强的相互作用,a l s r 合金具有较强的化合物形成倾向。过剩体积在x s r 一0 3 1 处存在最小值,与混合焓和过剩熵的变化一致,说明熔体中存在a 1 2 s r 类型的复合 体,而且a 1 s r 合金熔体混合焓、过剩熵和过剩体积的非对称性主要来源于原子的 谐振动,而非原子构型。随温度升高,构型熵峨。,e x 增加,而振动熵a s 。e x 减小, 表明原子构型不断被破坏丽原子谐振动加强。 合金组元的原子半径差和电负性差越大,组元间的交互作用强度越大,合金 的化合物形成倾向就越强,形成化合物的稳定性就越高。计算显示,和a l 的交互 作用强度,按照s i 、s n 、s b 、c e 和s r 的顺序递增。合金的化合物形成倾向对快 速凝固合金中纳米晶的取向有重要影响。根据交互作用强度和相图,a 1 s r 、a 1 一c e 、 a 1 s b 和a l c e s r 合金具有较强的化合物形成倾向,而对应的快速凝固合金中,纳 米晶取向相同,其电子衍射具有单晶衍射的特点,而且,有些纳米晶和旺a 1 保持 一定的位向关系;a 1 s n 和a 1 s i 合金的化合物形成倾向较弱,对应的快速凝固合 金中,纳米尺寸的s n 和s i 取向各异,其电子衍射为典型的多晶衍射环。而且,化 合物形成倾向越强,越容易促进快速凝固合金中规则层片状共晶的形成。 晶体的形态问题是一个十分复杂而又未彻底解决的问题。树枝晶是一种常见 的晶体形态,它的形成不仅与其生长机制有关,而且还与界面的微观结构、界面 前沿的温度分布及生长动力学规律等很多因素有关。本文以a 1 2 3s r 为对象,研 究了快速凝固合金中树枝晶的形成和择优取向。通常情况下,a l s r 金属间化合物 以平面生长方式长成板片状,其择优取向为 方向。快速凝固不能抑制初生 a 1 。s r 的形成,但却对初生a 1 4 s r 的生长、形态和取向产生重要影响。快速凝固条 山东大学博士学位论文一快速凝固铝基中间合金的研究 件下,具有高熔化熵的a 1 4 s r 金属间化合物以非平面方式( 树枝状方式) 生长并形 成发达的树枝晶,而且在9 0 。和4 5 。两个方向上形成分枝,具有9 0 。和4 5 。分 枝的初生a 1 4 s r 树枝晶,其择优取向分别为 和 方向。更高的冷却速度 或更大的过冷促进具有4 5 。分枝的初生a 1 4 s r 树枝晶形成。 淬火条件决定快速凝固合金的组织和性能,其中,淬火温度和淬火速度是最 重要的两个因素。熔体温度决定了熔体过热的程度,而过热对熔体的结构和性质 产生重要影响,进而,影响其凝固后的固态组织。快速凝固不改变a 1 8c e 和a l 一2 0 c e 合金的相组成,锭状和快速凝固的a 1 8c e 和a l 一2 0c e 合金由a - a 1 和q a i l l c e 3 组成。快速凝固合金的组织明显不同于通常条件下凝固的锭状合金。对于亚共晶 a 1 8c e 合金,熔体过热和冷却速度对其快速凝固组织形成无明显影响。快速凝固 能抑制过共晶a 1 2 0c e 合金中初生金属间化合物的形成,并促进a a i 枝晶的形成, 进一步提高冷却速度,快速凝固组织中共晶的形成和旺a l 枝晶的发展受到抑制: 提高熔体过热程度,可消除熔体中微观不均匀结构的影响。快速凝固不仅影响 a 1 9 0 c e l 0 合金的组织,而且改变合金的相组成。随着淬火温度和转速的提高,合金 组织经历了由晶态到非晶+ 晶态再到非晶态的转变。非晶基体中出现金属间化合物 颗粒,表明熔体中非平衡微观不均匀结构的存在。熔体过热对a 1 9 0 c e l o 合金的非晶 化有重要影响,适当的熔体过热并结合高的冷却速度有利于非晶形成,对于化合 物形成倾向较强的合金更是如此。对于快速凝固a l _ 8c e 和a 1 2 0c e 合金,3 0 0 以下长时间退火,显微硬度略有降低,合金热稳定性较高,组织不易粗化;而4 0 0 以上退火,显微硬度在短时问内迅速降低,合金热稳定性较差,组织易粗化。 因此,该类合金适合在3 0 0 以下使用。 快速凝固的一个突出特征是:由于极高的冷却速度,快速凝固可以对熔体施 加相当大的动力学过冷,使熔体处于热力学亚稳状态,从而产生不同类型的非平 衡效应。本文以a 1 s r 合金为对象,研究了这种动力学过冷所产生的非平衡凝固效 应。快速凝固不改变a 1 s r 合金的相组成,但对组织形成有显著影响。快速凝固 a 1 s r 合金由a i 和a h s r 组成。对于a l 一5s r 合金,快速凝固抑制了初生a 1 4 s r 的形成,组织由胞状区和共晶区组成,随着转速提高,组织中共晶区所占的比例 增加;对于a 1 1 0s r 合金,较低的转速( 1 0 0 0r p m 以下) 不能抑制初生a 1 4 s r 的形 成,合金组织为初生a 1 4 s r 颗粒分布在a i 基体上,超过1 5 0 0r p m 时,则得到完 全的共晶组织。在快速凝固条件下,一定的冷却速度可使合金富铝端的共晶点由 平衡条件下的2 4 s r 或3 2 s r 增加到1 0 s r 。 人们可以根据适当的模型来预测材料在凝固过程中的组织形成,而对于任何 预测模型来说,凝固显微组织选择都是其中重要的一方面。这方面的进展包括: 摘要 实验确定显微组织、凝固条件和材料成分三者之间的关系,以及根据当前固相形 成和生长的模型对这些结果进行解释。根据快速凝固对a l s r 和a 1 c e 合金组织形 成的影响,结合淬火条件,建立了快速凝固条件下富铝a l s r 和a 1 c e 合金的显微 组织选择图。利用选择图可以对快速凝固合金的组织形成进行定性预测。 关键词t 快速凝固铝基中间合金纳米晶显微组织树枝晶 山东大学博士学位论文一快速凝固铝基中间合金的研究 a b s t r a c t i nt h e p r e s e n tp a p e r , r a p i d l y s o l i d i f i e da l b a s e dm a s t e r a l l o y s h a v eb e e n i n v e s t i g a t e du s i n gt e m ,s e m ,x r da n dd s c ,e t c t h ef o l l o w i n ga s p e c t sh a v eb e e n a d d r e s s e d :d i s t r i b u t i o na n do r i e n t a t i o no fn a n o c r y s t a l si nt h e m e l t s p u na l l o y s , c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eo r i e n t a t i o no fn a n o c r y s t a l sa n dc o m p o u n df o r m i n gt e n d e n c y ( c f t ) o fa l l o y s ,f o r m a t i o na n dp r e f e f r e dc r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o no f d e n d r i t e si nt h e m e l t s p u na l l o y s e 虢c t o f a l l o yc o m p o s i t i o n a n d q u e n c h i n g c o n d i t i o n so nt h e m i c r o s t r u c t u r eo ft l l em e l t s p u na l l o y s a n de s t a b l i s h m e n to fm i c r o s t r u c t u r es e l e c t i o n m a p o f t h em e l t - s p u n a l l o y s v i s c o s i t ya n de x c e s sv o l u m ea r ei m p o r t a n tt h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h ea l l o y m e l t t h ev i s c o s i t yi sv e r ys e n s i t i v et ot h es t r u c t u r eo ft h em e l t t h ee x c e s sv o l u m eh a s a ni m p o r t a n te f f e c to nt h ep r o p e r t i e so ft h em e l t t h ev i s c o s i t yo ft h ea 1 s rm e l t s d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e w h i c hc o u l db ew e l lf i tb ya ne x p o n e n t i a ld e c a y e q u a t i o n e v e r yc h a n g e o ft h es t r u c t u r eo ft h em e l ts h o u l db ef o l l o w e db v 也ec h a n g ei n v i s c o s i t y t h ee x c e s sv o l u m ea n dd e n s i t yo f t h ea 1 s rm e l t sh a v eb e e ne v a l u a t e df r o m t h ee n t h a l p yo fm i x i n ga n dt h ee x c e s se n t r o p y ,u s i n gt h es o l u t i o nm o d e lb a s e do nt h e f r e e - v o l u m et h e o r y t h ee x c e s sv o l u m eo ft h ea 1 s rm e l t si sn e g a t i v eo v e rt h ee n t i r e c o m p o s i t i o nr a i l g e i n d i c a t i v eo fa t t r a c t i v ei n t e r a c t i o n so fd i s s i m i l a rk i n d so fa t o m si n t h em e l t sa n dt h e s t r o n gc f t t h ee x c e s sv o l u m eo ft h ea l s rm e l t se x h i b i t sa m i n i m u ma tx s r 0 3 l ,w e l lc o n s i s t e n tw i 血t h ev a r i a t i o no fb o t l lt h ee n t h a l p yo f m i x i n ga n d e x c e s se n t r o p y ,s u g g e s t i n gt h ep r e s e n c eo f c o m p l e x e so f t h et y p ea 1 2 s ri n t h em e l t s t h ea s y m m e t r yo fe n t h a l p yo fm i x i n g ,e x c e s se n t r o p ya n de x c e s sv o l u m e m a i n l yo r i g i n a t e s f r o mt h eh a r m o n i cv i b r a t i o no fa t o m si n s t e a do ff r o mt h e c o n f i g u r a t i o no fa t o m si nt h ea l s rm e l t s w i t l li n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e t h ei n c r e a s eo f a s c o n f “a n dd e c r e a s eo f 硝v l b “d e m o n s t r a t et h ed e s t r u c t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o no f a t o m sa n dt h ee n h a n c e m e n to f t h eh a r m o n i cv i b r a t i o no f a t o m s t h em o r et h ed i f i e r e n c eo fa t o m i cr a d i u sa n d e l e c t r o n e g a t i v i t yb e t w e e na t o m s t h e m o r et h ei n t e r a c t i o ni n t e n s i t yi s ,t h es t r o n g e rt h ee f t ,a n dt h eh i g h e rt h es t a b i l i t yo f c o m p o u n d si s t h e i n t e r a c t i o n i n t e n s i t y o fe l e m e n t sw i t ha li n c r e a s e s a l o n g t h e f o l l o w i n gs e q u e n c e :s i ,s n ,s b ,c ea n ds r t h ec f th a s am a r k e de f f e c to nt h e o r i e n t a t i o no fn a n o c r y s t a l si nt h em e l t s p u na l l o y s a c c o r d i n gt ot h ei n t e r a c t i o n i n t e n s i t ya n dp h a s ed i a g r a m s ,a 1 s r , a 1 c e a 1 s ba n da 1 c e s ra l l o y sh a v et h e s t r o n g e rc f t a c c o r d i n g l y t h eo r i e n t a t i o no fn a n o c r y s t a l si nt h em e l t s p u na l l o y si s i d e n t i c a la n dt h ee l e c t r o nd i f f r a c t i o ne x h i b i t st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es i n g l ec r y s t a l m o r e o v e r t h e r ee x i s to r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p sb e t w e e na - a la n dt h en a n o c r y s t a l si n s o m ea r e a s a l s na n da i s ia l l o y sh a v et h ew e a k e r c f t a c c o r d i n g l y t h en a n o s c a l e s na n ds i p a r t i c l e s a r e r a n d o m l yo r i e n t e d ,a n dt h e e l e c t r o nd i f f r a c t i o ne x h i b i t s p o l y c r y s t a l l i n er i n g s f u r t h e r m o r e ,t h es t r o n g e rc f t e n h a n c e st h ef o r m a t i o no f r e g u l a r a b s t r a c t i a m e l l a re u t e c t i ci nt h em e l t s p u na l l o y s t h e p r o b l e m o nt h em o r p h o l o g yo f c r y s t a l si sav e r yc o m p l i c a t e da n du n s o l v e do n e d e n d r i t e sa r ec o m m o ni n a l l o y s t h ef o r r f l a t i o no fw h i c hi s r e l a t e dn o to n l yt ot h e g r o w t hm e c h a n i s mb u tt om a n yf a c t o r si n c l u d i n gt h ei n t e r f a c es t r u c t u r e ,t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nb e f o r et h ei n t e r f a c ea n dg r o w t hk i n e t i c s t h ef o r m a t i o na n dp r e f e f r e d o r i e n t a t i o no fd e n d r i t e si nt h em e l t - s p u na l 一2 3s ra l l o yh a v eb e e ns t u d i e d u n d e r c o n v e n t i o n a lc o n d i t i o n s ,t h ea 1 4 s ri n t e r m e t a l l i ec o m p o u n dg r o w si n t oc o a r s es l a b s ,a n d t h ep r e f e f r e do r i e n t a t i o ni st h e d i r e c t i o n r a p i ds o l i d i f i c a t i o ni sn o te n o u 曲t o s u p p r e s st h ef o r m a t i o no fp r i m a r ya 1 4 s r ,b u th a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo l lt h eg r o w t h , m o r p h o l o g ya n d o r i e n t a t i o no f p r i m a r ya 1 4 s r u n d e rr a p i ds o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n s ,t h e a 1 4 s rp h a s ep o s s e s s i n gh i g he n t r o p yo ff u s i o ne x h i b i t sn o n f a c e t e dg r o w t ha n df o r m s 1 u s hd e n d r i t e st h ep r e f e r r e do r i e n t a t i o 矗so ft h ea 1 4 s rd e n d r i t e sw i t h9 0 0a n d4 5 。 b r a n c h e sa r et h e a n d d i r e c t i o n s r e s p e c t i v e l y h i g h e rc o o l i n gr a t e o r u n d e r c o o l i n ge n h a n c e s t h ef o 咖a t i o no f t h ed e n d r i t e sw i t h4 5 。b r a n c h e s q u e n c h i n gc o n d i t i o n si n c l u d i n gq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ea n ds p e e d ,d e t e r m i n et h e s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f r a p i d l ys o l i d i f i e da l l o y s t h eo v e r h e a t i n go f t h em e l tr e l a i e d t ot h em e l tt e m p e r a t u r eh a sam a r k e de f f e c to nt h es t r u c t u r ea n dp r o p e n i e so ft h em e l t , a n dt h e no nt h es o l i d i f i c a t i o nm i e r o s t r u c t u r e r a p i ds o l i d i f i c a t i o nh a sn oe f f e c to nt h e p h a s ec o n s t i t u t i o nb u th a sam a r k e de f f e c to nt h em i c r o s t r u c t u r eo f a l 一8c ea n da 1 2 0 c ea l l o y s t h ep h a s e sp r e s e n ti nt h ei n g o t c a s ta n dm e l t - s p u na l l o y sa r e a 1a n d q a 1 1 i c e l t h eo v e r h e a t i n go ft h em e l ta n dc o o l i n gr a t eh a v en oi n f l u e n c eo nt h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h em e l t s p u na l _ 8c ea l l o y t h ef o r m a t i o no fp r i m a r yi n t e r m e t a l l i c c o m p o u n dc o u l db ec o m p l e t e l ys u p p r e s s e db yr a p i ds o l i d i f i c a t i o n ,w h i c he n h a n c e st h e f o r m a t i o no fa a ld e n d r i t e s ,w i t hf u r t h e ri n c r e a s i n gc o o l i n gr a t e t h ef o r m a t i o no f e u t e c t i ca n dd e v e l o p m e n to fo t a ld e n d r i t e sa r ec o n s t r a i n e d t h ee f f e c tf r o mt h e m i c r o h e t e r o g e n e o u ss t r u c t u r ei nt h em e l tc o u l db ee l i m i n a t e dt h r o u g he l e v a t i o no ft h e d e g r e eo fo v e r h e a t i n g r a p i ds o l i d i f i c a t i o nh a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c en o to n l yo nt h e m i c r o s t r u c t u r eb u to nt h ep h a s ec o n s t i t u t i o no ft h ea 1 9 0 c e l 0a l l o y w i t l li n c r e a s i n g q u e n c h i n gt e m p e r a t u r ea n dw h e e ls p e e d t h ef o l l o w i n gm i c r o s t r u c t u r ew a s i ns e q u e n c e o b t a i n e di nt h em e l t s p u na l l o y :c r y s t a l l i n e ,a m o r p h o u sp l u sc r y s t a l l i n e ,a n da m o r p h o u s t h eo c c u r r e n c eo fi n t e r m e t a l l i cp a r t i c l e ss u r r o u n d e db yt h ea m o r p h o u sm a t r i xi n d i c a t e s t h a tt h e r ee x i s tm i c r o i n h o m o g e n e o u ss t r u c t u r e si nt h ea 1 9 0 c e l om e l t t h e s er e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h e o v e r h e a t i n g o ft h em e l th a sa s i g n i f i c a n t e f f e c to nt h e a m o r p h i z a t i o no ft h ea 1 9 0 c e l 0a l l o y 1 1 1 ep r o p e ro v e r h e a t i n gt o g e t h e r w i t h h i g h c o o l i n gr a t em a ym a r k e d l yc o n t r i b u t et o 也ef o r m a t i o no fg l a s s e s e s p e c i a l l yf o ra l l o y s p o s s e s s i n g a s t r o n g c f t f o rt h e a s s p u n a l - 8c ea n da 1 2 0c e a l l o y s t h e m i c r o h a r d n e s sc h a n g e sl i r l ew i t ht i m ew h e n a n n e a l i n gb e l o w 3 0 0 f o ral o n gt i m eb u t s h a r p l yd e c r e a s e sw h e na n n e a l i n ga b o v e4 0 0 f o ras h o r tt i m e i n d i c a t i n gt h a t t h e t h e r m a ls t a b i l i t yo ft h ea l l o y sr a p i d l yd e t e r i o r a t e sa n dt h em i c r o s t r u c t u r ee a s i l yc o a r s e n s v i i i 山东大学博士学位论文一快速凝固铝基中间合金的研究 a b o v e4 0 0 t h e r e f o r e t l l ea l l o y si ss u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o n sb e l o w3 0 0 t h es a l i e n tf e a t u r eo fr s pi st h ec o n s i d e r a b l ek i n e t i cu n d e r c o o l i n gi m p o s e db y p h e n o m e n a lc o o l i n g r a t e so nt h em e t a l l i cm e l t ,w h i c hr e n d e r st h el a t t e r t h e r m o d y n a m i c a l l ym e t a s t a b l e a n ds u s c e p t i b l et od i f f e r e n tt y p e so fn o n e q u i l i b r i u m s o l i d i f i c a t i o ne f f e c t s a l s ra l l o y sw e r es e l e c t e dt oi n v e s t i g a t et h e s ee f f e c t sa r i s i n gf r o m t h ek i n e t i cu n d e r c o o l i n g r a p i ds o l i d i f i c a t i o nd o e sn o ta l t e rt h ep h a s ec o n s t i t u t i o n ,b u t h a sam a r k e de f f e c to nt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ea l - s ra l l o y s t h ep h a s e si nt h e m e l t s p u na l l o y sa r eu a la n da 1 4 s r f o rt h ea i 5s ra l l o y ,t h ef o r m a t i o no fp r i m a r y a 1 d s ri ss u p p r e s s e da n dt h em i c r o s t r u c t u r ec o m p r i s e se e l la r e a sa n dc u t e c t i co n e s w i t t l i n c r e a s i n gs p e e d t h ep r o p o r t i o no f e u t e c t i ca r e a si n c r e a s e si nt h em i c r o s t r u c t u r e f o rt h e a l 1 0s r a l l o y ,t h e 1 0 w e rw h e e l s p e e d ( b e l o w 1 0 0 0r p m ) d o e sn o t s u p p r e s s t h e f o r m a t i o no fp r i m a r ya 1 4 s r n l em e l t s p u nm i c r o s t r u c t u r ec o m p r i s e sp r i m a r ya 1 4 s r p a r t i c l e sw i t h i nt h ea a lm a t r i x w i t hw h e e ls p e e de x c e e d i n gl5 0 0r p m h o w e v e r t h e c o m p l e t ee u t e c t i ci so b t a i n e di nt h em e l t s p u na l l o y t h ee u t e c t i cc o m p o s i t i o na tt h e a 1 r i c he n ds h i f t sf r o m2 4o r3 2w t s ri ne q u i l i b r i u mt oa b o u t1 0 、v t s ru n d e r r a p i ds o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n s s o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r es e l e c t i o ni sac r i t i c a li s s u ef o ra n yc o m p r e h e n s i v e p r e d i c t i v em o d e lo fs t r u c t u r ef o r m a t i o nd u r i n gs o l i d i f i c a t i o np r o c e s s i n go fm a t e r i a l s p r o g r e s s i n v o l v e sac o m b i n a t i o no f e x p e r i m e n t a l d e t e r m i n a t i o no f p r e f e r r e d m i c r o s t r u c t u r ea saf u n c t i o no fs o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o n sa n dm a t e r i a lc o m p o s i t i o na n d i n t e r p r e t a t i o no f t h e s er e s u l t si nt e r m so fc u r r e n tm o d e l so ff o r m a t i o na n dg r o w t ho ft h e c o m p e t i n g s o l i d p h a s e s a n d c o n s t i t u e n t s a c c o r d i n g t ot h em i c r o s t r u c t u r ei n c o m b i n a t i o nw i t h q u e n c h i n gc o n d i t i o n s ,t h e m i c r o s t m c t u r es e l e c t i o n m a p s a r e e s t a b l i s h e df o rt h ea 1 r i c ha 1 s ra n da 1 c ea l l o y s t os o m ee x t e n t t h em a p sc o u l db e u s e dt oq u a l i t a t i v e l yp r e d i c tt h em i c r o s t r u c t u r eo f r a p i d l ys o l i d i f i e da l l o y s k e y w o r d s :r a p i ds o l i d i f i c a t i o n ,a i b a s e dm a s t e ra l l o y s ,n a n o c r y s t a l s ,m i c r o s t r u c t u r e , d e n d r i t e s i x - 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,均已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:殛边缘日期:丞丛! :竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、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 文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 沦文作者签名: 本文的创新和主要贡献 本文的创新和主要贡献 1 利用混合焓和过剩熵,推导出合金熔体过剩体积的计算过程。以a 1 s r 合金熔 体为对象进行了相关计算,并发现:a l s r 合金熔体混合焓、过剩熵和过剩体 积的非对称性主要来源于原子的谐振动,而非原子构型。 2 确立了快速凝固铝合金中纳米晶的结晶取向与化合物形成倾向的相关性。对于 a l s r 、a 1 一c e 、a 1 一s b 等具有较强化合物形成倾向的合金,快速凝固合金中纳米 晶取向相同,其电子衍射具有单晶衍射的特点;对于a 1 一s n 、a 1 s i 等化合物形 成倾向较弱的合金,快速凝固合金中纳米晶随机取向,其电子衍射为典型的多 晶衍射环。 3 通过快速凝固铝基中间合金的研究,证实了合金熔体中非平衡微观不均匀结构 的存在,确认了熔体过热对快速凝固晶态、非晶态合金组织形成的影响,揭示 了树枝晶生长、形态及择优取向与熔体过冷的关系。 4 根据淬火条件、合金成分对组织形成的影响,建立了快速凝固条件下富铝a 1 s r 和a l - c e 合金的显微组织选择图。在一定程度上,利用选择图可以对快速凝固 合金的组织形成进行定性预测。 x 山东大学博士学位论文一快速凝固铝基中间合金的研究 第1 章绪论 凝固是指物质从液态到固态的相变过程。凝固现象是自然界以及材料研究中 比较常见的现象之一,人们认知和应用这一现象已有几千年的历史。快速凝固 ( r a p i ds o l i d i f i c a t i o n ,r s ) 是凝固的一种,但它的诞生只有几十年。几十年来,人 们虽然对快速凝固做了大量研究,快速凝固技术和产品也已在某些领域得到应用, 但对它的认识还有待继续深入。 1 1 快速凝固的定义 关于快速凝固的定义有以下两种 1 】 1 用冷却速度的大小来定义快速凝固,人们把从液态到固态的冷却速度大于某一 确定值( 通常是1 0 4 ks 。) 的凝固称为快速凝固。 2 有人提出快速凝固的定义为:由液态到固态的冷却速度相当快,从而获得了传 统铸件或铸锭冷却速度下所不能获得的成分、相结构或显微结构。 1 2 快速凝固的产生和发展 1 2 1 快速凝固的产生【2 】 常规铸造合金之所以出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等严重缺陷, 主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小,而这又是由于它们凝固的冷速 小引起的。因此,要消除铸造合金存在的这些缺陷,突破研制新型合金的障碍, 核心是提高熔体凝固时的过冷度从而提高凝固速度。实际凝固过程中达到这一目 的的方法主要有两种。一是“动力学”方法,即提高熔体凝固时的传热速度,从 而提高凝固时的冷速,使熔体形核时间极短,来不及在平衡熔点附近凝固而只能 在远离平衡熔点的较低温度凝固,因而具有很大的凝固过冷度和凝固速度。具体 实现这一方法的技术称为急冷凝固技术( r a p i d l yq u e n c h i n gt e c h n o l o g y , r q t ) 或熔 体淬火技术( m e l tq u e n c h i n gt e c h n o l o g y , m q t ) 。另一种方法是“静力学”方法, 即针对通常铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固,使合金凝固的过冷度很小的 问题,设法提供近似均匀形核的条件,在这种条件下凝固时,尽管冷速不高但同 样可以达到很大的凝固过冷度,从而提高凝固速度。具体实现这种方法的技术 第l 章绪论 般称为大过冷技术( 1 a r g eu n d e r c o o l i n gt e c h n o l o g y , l u t ) 【3 】。所以
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