（材料加工工程专业论文）非均质材料控制加热过程的组织演变与熔化行为.pdf

西北工业大学博士学位论文 摘要 熔化， 具有与凝固同样重要的科学意义， 但却受到不适当的忽视. 近年来， 随着新材料、新技术的发展，熔化研究的理论价值和应用背景日益明显。研究 生产实践中常用的非均质材料的熔化过程，对半固态加工、 熔体处理等新技术 具有重要的指导意义。本文以半固态加工技术等为应用背景，提出了控制熔化 的概念，通过d s c实验和定向 熔化淬火实验研究了非均质a l 合金在控制加热 过程中的熔化行为和组织演变，从理论上分析了熔化前溶质扩散，熔化过程中 固相体积分数与温度的依赖关系以及影响熔化组织形态的因素。提出了 通过控 制原始组织和熔化过程制备半固态浆料的新思路， 提供了低成本、简单可行地 制备半固态浆料的新途径。 利用d s c分析手段， 研究了具有不同凝固组织的a l - 5 .8 w t % c u 合金在不同 加热条件下的熔化行为。实验结果表明，加热方式和原始组织状态是影响 a l - 5 .8 w t % c u合金熔化行为的主要因素。熔化开始温度随加热速率的增加略有 升高。 共晶熔化激活能与组织状态相关， 快速凝固形成的组织由于缺陷密度大， 引起晶体结构的无序度增大，从而熔化时其激活能小.非平衡共晶组织在加热 过程中因扩散而有不同 程度的溶解，加热方式、扩散表面积、非平衡共晶的形 态和分布共同影响非平衡共晶扩散溶解的程度。讨论了加热速率对半固态固相 体积分数的温度敏感性的影响， 结果表明， 快速加热有助于降低温度敏感系数， 利于半固态加工的过程控制。 在熔化前的加热过程中， 均匀化扩散是非均质材料组织中发生的主要变化。 在 “ 静止界面”的假设下，建立了片状和球状第二相在匀速升温过程中的非等 温扩散溶解模型，给出了适合无限大和有限大扩散介质的溶质分布及第二相溶 解速度的表达式。利用所建模型，以a l - 5 .8 w t % c u 合金为例，计算了 熔化前的 加热过程中基体中的溶质分布和第二相溶解速度，直观地反映了加热速率、第 二相形态对溶质分布、第二相溶解速度及溶解程度的影响。同时，计算了不同 加热速率下a l - 5 . 8 w t % c u 合金非平衡共晶熔化比 例， d s c实验结果与计算结果 吻合较好，进一步说明所建模型的合理性。 对于非均质材料， 研究固溶体的熔化对理解合金材料的熔化过程以及对半 固态材料加工控制具有十分重要的意义。通过分析固溶体的熔化过程，强调了 溶质扩散在固溶体熔化中的重要作用。根据熔化过程中溶质守恒和热量守恒， 建立固溶体熔化动力学模型. 通过引 入扩散参数刀 给出了 熔化过程中液相体积 l =导弃导导导=导坠鑫 分数与温度的关系，即， 根据不同 熔化条件分析计算了 相应的扩散参数刀。 d s c实 验结果与同 样加热方 式的计算结果非常接近，证明所建模型的合理性。 利用定向熔化过程液淬的方法研究了电磁搅拌制备的半固态 a 3 5 7合金在 熔化过程中组织形态的演变，以及加热速率对组织形态的影响。实验发现，加 热速率越慢，固相晶粒的圆整度就越好，固相晶粒尺寸和聚集程度也越大。利 用同样方法还研究了具有枝晶组织的a l - 5 . 8 w t % c u 合金在熔化和保温过程中组 织形态的演变，以及加热速率和保温时间对形态演变的影响。实验结果表明， 经过适当地保温，半固态下的枝晶组织能够演变成球晶。 通过分析影响熔化组织形态的原因提出了获得理想半固态浆料的方式，即 控制原始组织和加热参数， 并从工程角度出发给出了可行的具体措施。以a 3 5 7 合金为例，采用细化晶粒低温浇铸配合快速加热短时保温的工艺，成功地由 枝 晶凝固组织制备出了固相颗粒圆整、 尺寸较小、分布均匀的合格的半固态浆料。 为了真实地反映合金在高温状态下的组织演变，利用高温金相显微镜记录 了s n - 5 % w t p b 合金原位熔化和凝固过程中组织的变化。熔化由晶界处开始，向 晶粒内部推进;凝固过程中不同晶核长大的速度各不相同，导致最终晶粒尺寸 的大小不一。首次直观地观察到s n - 5 % w t p b 合金组织遗传现象以及组织遗传与 过热温度的联系。组织遗传的原因是熔体中存在微观不均匀结构，这种微观不 均匀结构存在于一定温度范围使得遗传现象与熔体过热温度有关。 关键词:非 均 质 材 料，熔 化，扩 散 ，组 织 演 变 ，加 热 速 率，半 固 态 ， 组织遗传 d i s s e rt a t i o n f o r p h . d no r t h w e s t e rn p o l y t e c h n i c a l u n i v e r s i t y abs t ract t h e m e lt i n g p r o c e s s i s o f t h e s a m e i m p o r t a n c e a s s o l i d i f i c a t i o n , b u t w a s d e s o l a t e d f o r a l o n g t i m e b e c a u s e o f i t s i n d i r e c t r e l a t io n w i t h t h e m a t e r i a l s p e r f o r m a n c e . r e c e n t l y , m e l t i n g h a s g a i n e d m o r e a n d m o r e a tt e n t i o n i n t h e s c i e n t i f i c c o m m u n i t y f o r i t s t h e o r e t i c a l i n t e r e s t a n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f t e c h n o l o g i e s s u c h a s s e m i - s o l i d m e t a l p r o c e s s a n d m e l t tr e a t m e n t . i n t h i s w o r k , w e e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d t h e m e lt i n g b e h a v i o r a n d m i c r o s t r u c t u r a l e v o l u t i o n o f i n h o m o g e n o u s a l u m i n u m a l lo y s d u r i n g t h e c o n t r o l l e d h e a t i n g u p p r o c e s s . s o l u t e d i ff u s i o n b e f o r e m e lt i n g , t h e d e p e n d e n c e o f t h e l i q u i d v o l u m e o n t e m p e r a t u r e d u r i n g m e l t i n g a n d t h e f a c t o r s i n fl u e n c i n g m o r p h o lo g y o f t h e m e l t i n g g r a i n s w e re t h e o r e t i c a l l y a n a l y z e d . a n e w m e t h o d t o p r e p a re s e m i s o l i d s l u r ry b y m e a n s o f c o n tr o l l i n g o r ig i n a l s o l i d i f i c a t i o n m ic r o s t r u c t u r e a n d m e l t i n g p r o c e s s w a s p ro p o s e d . d s c w a s e m p l o y e d t o i n v e s t i g a t e t h e m e lt i n g b e h a v i o r o f a i - 5 . 8 w t % c u a l l o y w i t h d i ff e r e n t s o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r e s u n d e r t h e d i ff e r e n t h e a t i n g s e q u e n c e s . d u r i n g t h e h e a t i n g p r o c e s s , m o s t o f t h e n o n - e q u i l i b r i u m e u t e c t i c i n t h e s o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r e w a s d i s s o l v e d c o n tr o l l e d b y t h e d i ff u s i o n o f t h e s o l u t e . t h e i n i t ia l m e lt i n g t e m p e r a t u r e w a s i n d e p e n d e n t f r o m t h e m i c r o s t r u c t u r e , b u t s l i g h t l y r o s e w i t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e h e a t i n g r a t e . t h e m e l t i n g a c t i v a t i o n e n e r g y o f t h e s a m p l e s w i t h s l o w l y s o l i d i f i e d s t r u c t u r e w a s h i g h e r t h a n t h a t o f t h e r a p i d l y s o l i d i f i e d o n e . t h e a m o u n t o f d i s s o l v e d n o n - e q u i l i b r i u m e u t e c t ic b e f o r e m e lt i n g w a s d e t e r m i n e d n o t o n l y b y t h e h e a t i n g r a t e b u t a l s o b y i t s m o r p h o l o g y , i n c l u d i n g i t s s h a p e , d i s t r i b u t i o n a n d d i ff u s i o n i n t e r f a c e a re a . t h e e ff e c t o f h e a t in g r a t e o n t h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v it y o f s o l i d f r a c t i o n w a s d i s c u s s e d . f a s t h e a t i n g i s f a v o r a b l e f o r r e d u c i n g t h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i 年 t h e h o m o g e n i z a t i o n d i ff u s io n f o r i n h o m o g e n o u s m a t e r i a l s p l a y s a n i m p o rt a n t r o l e i n t h e h e a t i n g u p p r o c e s s b e f o r e m e l t in g . t h e d i ff u s io n - l i m i t e d d i s s o l u t i o n o f t h e s e c o n d p h a s e d u r i n g n o n - i s o t h e r m a l h e a t i n g p r o c e s s w a s m o d e l e d r e s t i n g o n t h e c o n s t a n t h e a t in g r a t e f o r b o t h p l a t e - l i k e a n d s p h e r i c a l s e c o n d p h a s e s . t h e e ff e c t s o f h e a t i n g r a t e a n d in t e r f a c e c u rv a t u r e o n t h e c o n c e n t r a t i o n p r o f i l e s i n t h e m a t r i x a n d t h e d i s s o l u t i o n r a t e o f t h e s e c o n d p h a s e w e r e a l s o d i s c u s s e d . a m a t h e m a t i c a l m o d e l f o r t h e e ff e c t w a s e s t a b l i s h e d a n d a p p l i e d t o c a l c u l a t e t h e abs t rac t 二二二巴二二二二二二二二竺二二二二二二竺 d i s s o l v e d f r a c t i o n o f t h e s e c o n d p h a s e b e f o r e m e l t i n g . t h e e x p e r im e n t a l r e s u l t s , w e l l a g r e e d w i t h t h e c a l c u l a t e d o n e s , c l e a r l y i n d i c a t e d t h e v a l i d i ty o f t h e m o d e l . f o r s o l i d s o l u t i o n p h a s e s , t h e e q u i l i b r i u m m e l t i n g i s u s u a l l y d i f f i c u l t t o a c h i e v e b e c a u s e o f d i ff u s i o n l i m i t a t i o n s i n t h e s o l id . a d i ff u s i o n c o n t r o l l e d m o d e l f o r t h e m e l t i n g b e t w e e n t h e s o l u t i o n p h a s e w a s e s t a b l i s h e d b a s e d o n s o l u t e a n d h e a t c o n s e rv a t i o n . t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e l iq u i d f r a c t i o n a n d t e m p e r a t u r e w a s d e r i v e d s e tt i n g o n d i ff u s io n p a r a m e t e r 声 t h e r e s u l t s c a l c u l a t e d f r o m t h e m o d e l w e re w e l l a g r e e d w it h t h e d s c e x p e r i m e n t a l o n e s . b y m e a n s o f d i r e c t i o n a l m e l t i n g a n d q u e n c h i n g , w e i n v e s t i g a t e d t h e m i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n d u r i n g m e l t i n g m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s t i r r i n g p r o c e s s f o r s p h e re - ga i n ai - 5 . 8 wt %cu a 3 5 7 a l l o y p r e p a r e d b y a n d d e n d r i t i c s o l i d i f i c a t i o n . s p e c i f i c a l l y , t h e q u e n c h e d w e e x a m i n e d t h e e ff e c t s o f h e a t i n g r a t e a l l o y t h r o u g h t h e n o r m a l a n d h o l d i n g t i m e o n t h e g r a i n m o r p h o l o g y mi c r o s t r u c t u r e s rev e a l e d t h a t t h e d e n d r i t i c mi c ros t r u c t u r e wa s a b l e t o e v o l v e i n t o e q u i a x e d g r a i n s a ft e r p r o p e r a n n e a l i n g i n t h e s e m i - s o l i d s t a t e . m o r e o v e r , t h e s m a l l e r t h e h e a t i n g r a t e i s , t h e m o re s p h e r i c a l t h e g a i n s w i l l b e . a c c o r d i n g t o t h e n e w i d e a o f p r e p a r a t i o n o f s e m i - s o l i d s l u r ry f ro m d e n d r it i c s t r u c t u r e t h r o u g h c o n t r o l l e d m e l t i n g p r o c e s s , f e a s i b l e t e c h n i q u e s w e re g i v e n f o r t h e p r a c t i c e i n i n d u s t ry , i n c l u d i n g g a i n r e f i n e m e n t , l o w t e m p e r a t u r e p o u r i n g , r a p i d h e a t i n g a n d a n n e a l i n g . i n a d d i t i o n , t h e s e m i - s o l i d s l u r ry o f a 3 5 7 a l l o y c o n s i s t in g o f e q u i a x e d a - a l g a i n s u n i f o r m l y d i s p e r s e d i n t h e l iq u i d w a s s u c c e s s f u l l y o b t a i n e d b y m e ans o f t h e t e c h n i q u e s m e n t i o n e d a b o v e . i n - s i t u o b s e rv a t i o n o f t h e m i c ro s t r u c t u r e c h a n g e o f s n - 5 % w 1 p b a l l o y i n m e l t i n g p r o c e s s w a s c a r r i e d o u t b y u s i n g h i g h - t e m p e r a t u r e o p t i c a l m i c r o s c o p e . f o r t h e f i r s t t i m e , t h e m ic r o s t r u c t u r a l h e re d i ty p h e n o m e n o n w a s d i r e c t ly r e c o r d e d . e x p e r i m e n t a l a n a ly s e s s h o w e d t h a t m i c r o s t r u c t u r a l h e r e d ity d e p e n d e d o n t h e s u p e r h e a t i n g t e m p e r a t u r e . t h e m ic r o - h e t e ro g e n e o u s z o n e i n l o w s u p e r h e a t e d m e l t le d t o t h e h e r e d i ty i n t h e r e - s o l id i f i e d m ic r o s t r u c t u r e . k e y w o r d s : h e t e r o g e n e o u s m a t e r i a l s , m e l t i n g , d i ff u s i o n , m i c ro s t r u c t u r e e v o l u t i o n , h e a t i n g r a t e , s e m i - s o l i d , m i c r o s r u c t u r a l h e r e d ity 西北工业大学博士学位论文 第1 章 绪论 1 . 1前言 熔化，同凝固过程一样，是自 然界中最为常见的现象，同时也是人们最早 利用的物理过程之一。青铜器铁器是人类文明发展的标志，这类器物的制造正 是对熔化和凝固过程进行应用的典范，而熔化则是关键的第一步。 长期以来，对凝固过程的研究取得了令人瞩目 的进展，从形核、生长、形 态选择到微观和宏观偏析，为控制材料性能和功能、开发新材料作出了不可估 量的贡献。熔化不像凝固过程那样，在传统的材料制备和加工体系中，其过程 特征记录在制备的工件和材料中，对工件和材料的使用性能和工艺性能具有举 足轻重的直接影响。因此，虽然具有与凝固过程同等重要的科学意义，却没有 获得同样的重视和深入研究，因而， 人们对熔化过程的理解非常有限。 近年来，随着新材料、新技术的发展， 对熔化的研究引起了许多科技工作 者的重视。这是由于: 1 、熔化过程隐含着尚未揭示的物质结构和材料相变的复杂现象及规律。 近 期关于表面预熔化、 类液层、 低维材料过热现象以及熔化机制的研究结 果表明，熔化过程的研究将大大丰富我们对自 然界各种相变规律的认 识，增加人类对材料科学乃至整个自 然科学的知识积累。 2 、熔化过程的研究将加深人们对凝固过程的认识。 我们知道， 凝固理论已 经建立起了庞大的理论体系， 然而， 其中还有许多根本问题， 如形态选 择、各向异性等等，并未得到完全解决。从熔化和凝固这一对互逆过程 的角度考察、 比较两个过程中的规律性， 无疑会使得对两个过程的认识 更加全面、深入。 3 、随着材料科学与工程技术的发展，熔化过程研究的应用背景日 益明显。 和凝固过程一样， 熔化过程也是材料加工和处理的一个必经的过程。 合 金遗传现象、 熔体处理技术的研究表明， 熔化与材料最终性能密切相关; 半固态材料的制备更是对熔化过程的直接应用; 高能束快速熔凝技术及 熔焊技术也要求对同步进行的熔化和凝固现象深入研究。 熔化研究的理论和实际价值激发了人们的兴趣和关注，人们希望认识、理 解和掌握这一过程，从而用于指导工程实践。因此，熔化研究成为材料科学领 域研究的热点之一。 飞 . 2熔化现象和基本理论 1 . 2 . 1熔化概述 熔化是指固态到液态的转变，从物理角度而言，熔化的严格定义是原子排 列长程有序的晶体结构 ( 固 体) 到短程有序但长程无序结构 ( 液体) 的 相转变。 经典热力学对凝聚态物质状态的量化描述是，具有一定质量的物质在一定 温度 ( t )和压强 ( p )下以一定的体积 ( v ) 存在，并具有一定的热烙 ( h ) , 物质的热力学状态可以 用g i b b s 自由能 ( g ) 表示: g= h一 t s ( 1 - 1 ) 物质的自由能还可以表示为温度和压力的函数: g= f ( p , t ) ( 1 - 2 ) 处于热力学平衡的固液两相具有相同的自由能，即: q = g ,( 1 - 3 ) 平衡熔化时固 液相自 由 能的 变化( d g ) 为零， 但嫡( 或体积) 的 变化不连续， 因此熔化为典型的一级相变。 在恒压条件下，对于单质或具有固定成分的物质如共晶 液相能够共存的 温度， 称为平衡熔点， 用t , 表示。 这一温度下 存在一个固相和 ，固相和液相具 有相同的自由能，固体转变成液体，伴随潜热的吸收，同时体积发生变化，这 一 过 程称为一 致 性熔似c o n g r u e n t m e i t in 幻 多组分物质如合金的自由能还与其成分c有关。也就是: g二 f ( p , t , c )( 1 - 4 ) 因此不同成分的物质具有不同的平衡熔点，成分与平衡熔点的关系可以由平衡 相图直接表示。对于成分随温度连续变化的固体， 熔化将在一个温度区间内 完 成， 熔化过程中存在一个固相和一个互补的液相， 并且二者的成分一直变化着， 这称为非一致性熔化( i n c o n g r u e n t m e l t i n g ) . 1 . 2 . 2熔化机制 晶体的熔化可以理解为晶格的失稳过程。人们根据多种晶格不稳定性模型 西北工业大学博士学位论文 提出了相应的熔化机制。 l i n d e m a n n准则:温度的升高使原子的热运动加剧，当原子振动幅度与相 邻原子平衡间距之比达到某一临界值时，原子振动的相互影响可以使晶体机械 失稳，发生熔化。此判据简单准确，广泛用于判断块体材料的熔化。最近的研 究 u 发现， l i n d e m a n n 判据同 样适合于熔点变化的小尺寸金属粒子。 b o rn刚性失稳: 固体的熔化是由模量的变化引起。 此判据由b o m提出的切 变模量的消失改进到t a l lo n 的模量等温转变为零2 ) 形核动力学失 稳: 当 过热达到某一温度时， 液相将在固体中自 发均匀形核3 1 或由 位错引发不均匀形核4 1 ， 导致晶体的 熔化。 缺陷熔化判据:晶体中点缺陷的浓度随温度的升高而升高，到达某一临界 值时导致熔化发生5 1 1 . 2 . 3熔化初始位置 实际晶体中 存在大量的点、线、面缺陷， 包括空位、位错和界面 ( 晶界、 相界以及表面)等。这些原子错排区与完整晶格相比，具有很高的能量，当温 度升高，原子活动能力增强，这些位置将最早达到原子排列的无序状态，成为 熔化初始位置。 大量工 作6 刊 证明， 一些 金属晶 体的 某些晶 面 在达 到熔点 之前就开 始了 表面 熔化( s u r f a c e m e lt i n g ) ，即晶体表面发生连续、可逆的 有序 无序转变， 使表 面区域形成一层类液层( q u as i - l i q u i d l a y e r ) 。 类液层的结构、 动力学和输运性质介 于固体和纯液体之间，与有缺陷的固体和具有残留有序结构的液体类似，其厚 度 随 温 度 升 高 而 增 加 并 符 合 卜 n ( t一 t ) 的 规 律 6 1 除了晶体表面，晶体内缺陷处的预熔化同样容易发生。熔化过程的分子动 力学 1 0 和等离子体晶体 u 】 模拟结果表明，无序状态由 缺陷处开始，固 相向 液相 的转变过程是通过缺陷的生长引起的。 对于多组分物质，熔化的初始位置与成分有关，液相首先出现在熔点较低 的区域如共晶组织分布的晶界或枝晶间。s c n - 1 . 1 % e t h a l 透明合金熔化实验 1 2 1 中观察到溶质分布不均匀时由于熔点的不同而形成熔化枝晶的现象。 1 . 2 . 4熔点的降低与过热 第 1 章 绪论 大量 熔点降 低的 研究 报告 1 3 - 1 5 1来自 于 纳米 尺度的 微粒子或薄 膜。 早在1 9 5 4 年t a k a g i 就发现了 纳米粒子的熔点随粒子尺寸减小而降低的现象。固体粒子的 熔点与粒子尺寸 ( 半径 r )的关系可以表示为: t (r ) 一 t (- )i 一 2 q , c o s o ( l p rr ) 一 ，( 1 -5 ) 其中:t( ) 为块体材料的平衡熔点，o s ! 为固液界面能， l为熔化潜热，p , 为固相密度，b 为镶嵌粒子与基体的接触角，对于自由粒子，c o s o = 1 0 与纳米粒子熔点降 低的现象相反， 许多研究结果 ， ， ， 6 一 ， “ ， 表明自由 表面受到适 当约束的纳米粒子可以 在高于其块体材料平衡熔点的温度熔化，即晶体过热。 研究发现呈现过热的粒子与基体形成良好的晶格匹配，从而减少了界面处熔体 形核的位置，液相形核受阻造成了晶体的过热。相对于纳米粒子的过热，二维 薄膜材料的过热似乎更加困难， 这是因为薄膜材料中存在大量的自由界面， 熔体 形核无法阻止。 受限薄膜熔体生长过程受到来自 薄膜/ 基体界面的阻力1 9 -2 1 可 以解释其过热原因。 j i a n g 2 2 ,2 3 等 根 据l i n d e m a n n 判 据从 热 力学 角 度 解 释了 具 有 共 格 和半 共 格 界面的受限粒子或薄膜过热的原因，受限纳米粒子或薄膜的尺寸和界面条件使 得振动熔化嫡降低，因此受限粒子或薄膜的平衡熔点升高而发生过热。 1 . 3熔化在工程实践中的应用 在传统的冶金和铸造过程中人们重视的只是熔化结果，熔化过程的控制并 不重要。事实上，熔化过程是材料加工和处理的一个必不可少的环节。由于材 料和过程的多样性，在熔化过程中发生的变化，必将对材料最终性能产生重要 的影响。在以下几种材料加工技术中， 熔化有着极为显著的作用。 1 . 3 . 1半固态金属 ( s s m )加工技术 半固 态金属加t - 技术( s e m i s o l i d m e t a l p r o c e s s i n g ) 是一种新型的金属成形技 术。 传统成形技术的加工对象要么是固态金属( 锻造) 要么是液态金属( 铸造) ， 半固态金属加工技术则不同，其原料为非枝晶的固相颗粒分布在液相中的半固 态浆料。半固态浆料具有独特的流变特性一静态行为表现出伪塑性 ( p s e u d o p l a s t i c ) 而动态 行为 则 具有 触变 特性 ( t h i x o t r o p i c ) 。 现今所有半固 态 加 工技术都是基于这种特性发展而来的。自从 1 9 7 1年美国麻省理工学院 第 1 章 绪论 k二 ，k t + m , c , i n k . / ( 1 一 k ) 一 t , ( 1 - 1 7 ) 上式中，/ ， 所 以 无 固 相 扩 散 的 温 度 敏 感 系 数 小 于 固 相 中 完 全 扩 散 的 温度敏感系数. 考虑实际的加热方式，当 加热速率很大时可以认为固相中溶质 的扩散受到抑制，而当加热速率很小时系统倾向于平衡熔化，则固相中溶质是 完全扩散的。因此，固相体积分数的温度敏感系数随加热速率的增大而减小。 图3 . 8 是d s c实验获得的以5 k / m i n和 1 5 k / m i n 的加热速率连续加热条件下的 式- t曲 线，可以 看出， d s c实验结果也符合上述的规律。 3 .0 1 一 寸 、 亡- . - .- 一 、 一、一 ，月 ，、卜 认 c o m p le t e d iff u s io n n od 行 自 性 i o n 、 0806 a a t h e a t i n g r a t e s k j m in a t h e a t i n g r a t e 1 5 k l mi n 0402 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0 6 2 0 6 4 0 6 6 0 6 8 0 t e m p e r a t u r e / 图3 .8不同加 热条 件下的f , - t 曲 线 f i g . 3 . 8 关-t c u rve s a t d i ff e r e n t h e a t i n g c o n d i t i o n s 综上所述，在实际生产过程中，从工艺的角度看，对于已选定的材料，快 速加热至半固态加工温度有助于降低材料的固相体积分数敏感性，可以作为制 第3 章 a i - 5 . 8 w t % c u 合金的熔化行为 定加工工艺的一个方面加以考虑。 3 . 5本章小结 通过研究不同组织状态的 a 1 - 5 . 8 w ta/ a c u合金在几种加热方式下的 d s c分 析结果，发现: ( 1 )以 l o k / m in的 加热速率校正后的设备仍存在一个与加热速率有关的温 度测量误差，假设该误差与温度线性相关， 构造出了校正方程对测得 的温度进行校正。 ( 2 ) 熔化开始温度表示熔化吸热效应发生的最低温度，以 外推始点法确定。 经校正后的熔化开始温度随加热速率的增加略有升高。 ( 3 ) 利用k i s s i n g e r 法计算了不同 组织状态下的共晶熔化激活能。 结果表明 凝固时冷却速率越大， 其熔化激活能就越小。 根据l i n d e rma n n 熔化准 则解释了 这一现象的原因。 () 非平 衡共晶 组织 在加 热过程中因 扩散而有不同 程度的 溶解。 通过比 较不 同组织在不同加热方式下的共晶熔化热，讨论了影响非平衡共晶组织 扩散溶解的因素，包括加热方式、 扩散表面积、形态和分布。 ( 5 ) 以 半固 态材料加工为背景讨论了 加热速率对半固 态固 相体积分数的温 度敏感性的影响。快速加热有助于降低温度敏感系数，利于半固态加 工的过程控制。 参考文献 1 z .f a n . s e m i s o l i d m e t a l p r o c e s s i n g . i n t e rn a t io n a l ma t e r i a ls r e v i e w s , 2 0 0 2 , 4 7 , 2 : 4 9 - 8 5 2 m . m . r o v i r a , b .c . l a n c i n i , m . h . r o b e rt . t h i x o - f o r m i n g o f a i - c u a l lo y s . j o u rn a l o f m a t e r i a l s p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , 1 9 9 9 , 9 2 - 9 4 : 4 2 - 4 9 3 e .t z i m a s , a . z a v a l i a n g o s . m a t e r i a l s s e l e c t i o n f o r s e m i s o l i d p r o c e s s i n g . m a t e r i a l s a n d m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s , 1 9 9 9 , 1 4 , 2 : 2 1 7 - 2 3 0 1 4 e .t z i m a s , a .z a v a l i a n g o s . e v o l u t io n o f n e a r - e q u i a x e d mi c r o s t r u c t u r e i n t h e s e m i s o l id s t a t e . ma t e r i a l s s c i e n c e and e n g i n e e r i n g , 2 0 0 0 , a 2 8 9 : 2 2 8 - 2 4 0 阎 张 奎 ， 张 永 忠 ， 刘国 钧， 徐 骏， 张 景 新， 樊 建中 . 半固 态a i s i 7 m g 合 金 二次 加 热 工 艺 与 组织转变机制. 金属学报， 1 9 9 9 , 3 5 , 2 : 1 2 7 - 1 3 0 b c o l in j s m i t h e l l s . me t a ls r e f e r e n c e b o o k , u . k . , b u tt e r w o rt h s 而在均匀化退火过程中，则希望第二相能够 快速溶解以 缩短退火时间。在金属材料的半固态加工过程中，控制第二相的溶 解及熔化可以获得较为理想的球晶组织，第二相的数量、形状、尺寸及溶解与 熔化行为直接影响到初熔液相的体积分数。所以，研究第二相的溶解熔化行为 具有十分重要的实际意义。 加热过程基本上可以分为两种类型:等温过程和非等温过程。实际上材料 的热加工过程都不可避免地要经历一个或长或短的非等温过程，与等温过程相 比，非等温过程在热加工工艺中也是非常常见的。以往关于溶质扩散和扩散控 制的溶解模型均是基于等温、 等扩散系数的 假设 1 -0 。因 此， 建立基于非等温条 件的扩散及第二相溶解模型对于解释许多实验结果，并指导各种材料热加工过 程具有重要意义，如热处理过程中连续加热阶段的扩散，固态及半固态加工中 的加热过程，热分析过程等等。连续加热的过程升温速率会直接影响溶质的扩 散场和第二相的溶解速度。本章的工作即是建立匀速升温的连续加热过程中溶 质扩散和第二相溶解的模型，并以a l - 5 . 8 w t %c u 合金为例，研究升温速率、第 二相形态对溶质扩散以及第二相溶解速度的影响。 4 . 2匀速加热条件下的溶质扩散及第二相溶解模型 合金组织中第二相的分布和形态各异，归纳起来分为两类:一类常见于晶 界处，呈连续网状或片状;另一类分布于晶内，呈颗粒状。因此，建立溶质扩 西北工业大学博士学位论文 散及第二相溶解模型时，网状或片状第二相的情况可以处理成一维扩散溶解， 而颗粒状的第二相在球坐标系中可简化为一维情况来讨论。 4 . 2 . 1匀速升温条件下片状第二相扩散溶解模型 4 . 2 . 1 . 1扩散方程 描述等温扩散过程的f i c k 第二定律可以写为 d 8 2 c ( 4 - 1 ) 式中，c为溶质成分， x 为距离，d为恒定的扩散系数，t 为扩散时间。 然而在非等温条件下， 扩散系数不再保持恒定值， 而是符合a r r h e n i u s 公式， d ( t ) = d o e x p ( - q / r t ) ( 4 - 2 ) 其中，t 表示系统所处的温度。 当 系统以 升温速率0 连续加热时， t= t o + # ( 4 - 3 ) 为了 解扩散系数随 温度变化的 扩散方程，采用下式的数学变换1 5 .6 1 _ 一 d (t )d t 一 f d (t )d t ( 4 - 4 - 1 ) x 一 o y, x伊- 4 - 2 ) 则f i c k 第二定律可以简化为以下形式: ( 4 - 5 ) 式( 4 - 5 ) 描述的 是以 速率0 连续加热的 非稳态扩散过程。 求解后， 利用式( 4 - 4 - 1 ) 和式( 4 - 4 - 2 ) 代换获得匀速升温过程扩散方程的解。 4 . 2 . 1 . 2假设和定解条件 在连续升温过程中。溶质元素在基体中的固溶度不断增大，不稳定的第二 相和不饱和的基体之间将会出现溶质的扩散和第二相的溶解。由于第二相/ 基体 间界面的移动距离和移动速度均很小，等温过程第二相溶解模型认为静止界面 4 5 第4 章