（钢铁冶金专业论文）稳恒强磁场对定向凝固alal2cu共晶组织影响的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文研究了稳恒强磁场对定向凝固a 1 一a h c u 共晶显微组织的影响。采用 0 - 1 0 t 不同强度磁场，在不同拉速( o 5 2 0 1 a m s ) 下制各定向凝固样品，研究其 横纵截面形貌。运用x 射线衍射( ) 和透射电子显微镜( t e m ) 与高分辨 电子显微技术( h r e m ) 着重研究了无磁场与1 0 t 强磁场下1 p a n s 拉速制备的 a 1 a 1 2 c u 共晶横纵截面的取向和显微结构及层片间的位向关系，利用极图解析了 强磁场对a 1 - a 1 2 c u 取向及位向关系的影响，从而提出了磁场对该共晶合金生长 影响机理。 施加磁场前后a l - a 1 2 c u 共晶的金相组织明显不同。对于l p a n s 拉速样品， 无磁场时，a 1 a 1 2 c u 共晶组织为典型的共晶层片状；随着磁场强度的增加， a i - a 1 2 c u 定向凝固共晶横截面组织趋于扭曲、紊乱、分叉。特别当磁场强度大于 6 t 后，共晶层片的扭曲分叉变得更为明显。当磁场强度增加到1 0 t 后，横截面 上a 1 a 1 2 c u 共晶组织均匀地以网状分布。 当拉速大于1 l a r n s 时，有无磁场对层片间距基本无影响，由于材料凝固速度 提高，造成晶粒细化，层片间距随拉速增加而单调下降。而当拉速小于1 a m s 时，与无磁场情况相比，1 0 t 强磁场下层片间距明显减小，对于拉速较低的情 况尤为明显。 a l a 1 2 c u 定向凝固共晶纵截面组织仍沿热流方向平行生长，随着磁场强度的 增加，组织发生细化。 t e m 结果显示，无磁场时1 p m s 定向凝固a l a 1 2 c u 共晶组织无取向，而施 加1 0 t 强磁场后，a 1 2 c u 共晶组织发生取向， a 1 2 c 。与 a l 转到与磁场方 向一致。无磁场时a i z c u 晶粒和a j 基体之间有位向关系为“ 2 1 1 a 1 2 c u ， 1 1 1 ” a 1 2 c 。与 a l 之间相差大约5 ”。施加磁场后，a 1 2 c u 晶粒和a l 基体间的 位相关系为“( 3 l o a 1 2 c 0 2 0 肌 北c 。与 a i 之间相差大约7 。”。虽 然由于不同晶粒的a l ，a 1 2 c u 位向关系本身就存在l o 。左右差异，因此施加磁场 前后所观察到a l a 1 2 c u 的相对位向关系近似等价，但是施加强磁场后位向关系 从倾向于“ 2 1 1 ) a 1 2 c u u l 汹， 肌c 。 a l ”转为倾向于 上海大学硕士学位论文 “f 3 1 0 舭c 。 0 2 0 a 1 ， a 1 2 c 。 a i ”。此外强磁场作用生长下的共晶内存 在大量位错，经分析为1 2 类型。 由于无磁场情况下定向凝固的a 1 a 1 2 c u 共晶无确定的优先生长晶体学方向， 在磁场下凝固时两相发生取向，从而致使各层片无法相互协调，因此形核生长过 程中互相接触，造成横截面上所观察到的a 1 a 1 2 c u 共晶组织紊乱现象。然而， 纵截面方向由于温度梯度占主导，故层片仍沿温度梯度方向生长。该过程造成晶 粒内部应力增加，产生大量位错。 关键词：强磁场，a i a 1 2 c u 共晶，位向关系，定向凝固 i i 上i 海丈学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee f f e c t so fh i g hm a g n e t i cf i e l do nt h em i c r o s t r u c t u r e so ft h ea i a 1 2 c u e u t e c t i ca l l o yw e r ei n v e s t i g a t e d t h es a m p l e sw e r ep r e p a r e db yt h et m i d i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n ( g r o w t hr a t er 2 0 5 2 。0 - l m s ) i nm a g n e t i cf i l e dw i t hv a r i o u si n t e n s i t i e s ( 0 - l o t ) t h es a m p l e sp r e p a r e de i t h e rw i t h i n0 to r1 0 tm a g n e t i cf i e l dw e r es t u d i e db y x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) ，a n dh i g h - r e s o l u t i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( h r e m ) ，r e s p e c t i v e l y s t e r e o g r a p h i cp r o j e c t i o np r i n c i p l e sw e r eu s e dt oa n a l y z et h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p b e t w e e nd i f f e r e n ts a m p l e s t h em e c h a n i s mo f t h ee f f e c t so f h i g hm a g n e t i cf i e l do nt h e a i a 1 2 c ue u t e c t i ca l l o yg r o w t hw a st h u sp r e s e n t e d t h em i c r o s t r u c t u r e sb e t w e e nt h e s a m p l e sp r e p a r e d w i t h i no rw i t h o u tt h e m a g n e t i cf i e l da r eo b v i o u s l yd i f f e r e n t c o m p a r e dw i t ht h es a m p l e st h a ta r eg r o w n w i t h o u tt h em a g n e t i cf i e l d ，t h em i c r o s t r u c t u r e so ft h eu n i d i r e c t i o n a ls o l i d i f i e d a 1 一a 1 2 c ut r a n s v e r s es e c t i o nb e c o m ei n c r e a s i n g l yd i s o r g a n i z e da n df u r c a t e dw i t ht h e i n c r e a s eo ft h e h j g hm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y s u c hp h e n o m e n o na p p e a r sm o r e a p p a r e n te s p e c i a l l yw i t l lam a g n e t i cf i e l dh i g h e rt h a n6 t f o rs a m p l e sp r e p a r e dw i t h i n t h e1 0 tm a g n e t i cf i e l d ，t h ee n t e c t i cf l a k e st u r nt od i s t r i b u t eh o m o g e n e o u s l yo nt h e i r t r a n s v e r s es e c t i o n s i nc o m p a r i s o n ，f o rt h e l o n g i t u d i n a ls e c t i o no ft h eu n i d i r e c t i o n a l s o l i d i f i e da i a 1 2 c ue u t e c t i e ，t h ef l a k e sk e e po ng r o w i n ga l o n gt h ed i r e c t i o no ft h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n t t h ew i d t ho ft h ef l a k e sd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y w h e nt h ec r y s t a li sp r e p a r e di nh i g hm a g n e t i cf i e l d ，t h ed i r e c t i o no f 【0 0 1 a 1 2 c u a n d 【0 0 1 a it u r n st ob ep a r a l l e lt ot h ed i r e c t i o no fh i g hm a g n e t i cf i e l d w i t h o u t m a g n e t i cf i e l dt h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e na ia n da 1 2 c uf l a k e si sw i t h i n5 。 d i f f e r e n c ef r o m 2ii ) a 1 2 c u f f ii i a la n d a 1 2 c 。1 a t w i t h1 0 th i 曲 m a g n e t i cf i e l d ，t h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea 1 2 c ua n da if l a k e si sw i t h i n 7 。d i f f e r e n c ef r o m 3 1 0 a 1 2 c u 0 2 0 a ia n d a i 2 c u a i t h eo r i e n t a t i o n 1 1 1 上海大学硕士学位论文 r e l a t i o n s h i pb e t w e e na 1a n da 1 2 c uf l a k e sd o e sn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l ya sp r e p a r e di n t h em a g n e t i cf i e l d h o w e v e r , t h ei m p o s e dm a g n e t i cf i e l dm a k et h ef l a k e sg r o w a c c o r d i n g t ot h e r e l a t i o n s h i p “ 3 1 0 a 1 2 c 0 2 0 a ia n d a 1 2 c u a ” m o r e o v e r , l o t so fd i s l o c a t i o n sa r eo b s e r v e di nt h ea ip h a s ei nt h ee u t e c t i ca l l o y s s i n c eu n i d i r e c t i o n a ls o l i d i f i e da 1 一a 1 2 c ue u t e c t i cd o e sn o th a v eaf i x e dg r o w t h d i r e c t i o na s p r e p a r e d w i t h o u tt h e m a g n e t i cf i e l d ，t h e f l a k es e e d sg r o w d i s h a r m o n i o u s l yu n d e rt h eh i 曲m a g n e t i cf i e l d a f t e rb e i n gt i l t e da n do r i e n t e db yt h e m a g n e t i cf i l e df o rv a r i o u sd i r e c t i o n s ，t h e yf i n a l l yc o l l i d ew i t he a c ho t h e lg i v i n gr i s e t ot h ed i s o r g a n i z e da n df u r c a t e dm i c r o s t r u c t u r e si nt h et r a n s v e r s es e c t i o n ，w h i c hi n t u r nr e s u l t si nt h ed i s l o c a t i o n so b s e r v e di nt h ea ip h a s e h o w e v e r , i nt h el o n g i t u d i n a l s e c t i o n ，t h ef l a k es e e d ss t i l lk e e po ng r o w i n gv e r t i c a l l yb yt h ee f f e c t so ft h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n t k e y w o r d ：h i g hm a g n e t i cf i e l d ，a i a 1 2 c ue u t e c t i c ，o r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p ， d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n i v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 、 签名：勉如日期纽：生：塑 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘砬獐导师签名：圣垒丝望鱼日期：扭。竖蛰 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章文献综述 凝固过程是材料加工的一个基本过程，实现对凝固过程的有效控制一直是材 料工作者努力的基本目标之一。强磁场下的凝固技术作为一个涉及磁场理论、冶 金过程、材料合成等学科的新技术，正成为一门新兴的交叉学科。利用强磁场对 液体流动的控制作用改变凝固过程中液相的传热传质条件，利用强磁场对晶体的 长大、分布和相间界面能量的影响控制凝固过程中晶体的形态、大小和取向等， 从而实现对材料凝固组织和性能的控制，有望制备出采用其它方法难以获得的， 具有特殊组织和优异性能的自生复合材料，各向异性复合材料，功能梯度复合材 料等新型材料。 1 2 强磁场在材料科学中的应用研究现状 材料的使用性能在很大程度上取决于其组织特征，包括组织的形态、大小、 分布及不同组织的相对含量等。因此，包括成分调整在内，人们对控制材料的制 备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用此性能的兴趣越来越大。 随着强磁场发生技术，特别是超导强磁场发生技术的不断进步，强磁场的获得日 益方便，应用不断扩大，已经广泛渗透到物理学、化学和生物学等科学领域中， 二十世纪九十年代又在材料科学中兴起。因此，强磁场在材料科学中的应用，目 前是一个非常热门的课题，具有很高的研究价值。 目前1 0 t 左右强磁场已经接近实验室实用化。磁感应强度多数在0 0 1 t - o 1 t 之间的磁场多作用于材料加工的动力学过程( 如电磁搅拌、电磁制动等) ，而强 磁场能够将大强度的磁化能量输入到材料中，可能会改变材料的热力学状念，改 变原子、分子的排列、匹配和迁移行为，从而对包括非铁磁性材料在内的各种材 料的组织和性能产生巨大而深刻的影响。 强磁场与材料科学相结合，有可能产生一系列重大的材料制各新理论和新技 术。近年来，一些具有重大理论和实用价值的强磁现象的发现引起材料科学工作 上海火学硕：i ：学位论文 者的极大关注，有关强磁场在材料科学中应用的理论和实验研究迅速增多，目前 已在结晶凝固、粉末冶金、电析、烧结、络合、热处理、塑性加工、流体流动、 液体悬浮、约束成形等方面进行了探索性实验，涉及无机陶瓷材料、有机高分子 材料和金属材料等，形成一个全新的、内涵丰富的研究方向。 1 2 1 强磁场中材料组织取向的研究 材料组织定向排列能够有效地提高材料的多种性能。常用的方法是外加一个 定向的外力场，如超重力场、压力场、电场和磁场等。强磁场具有大能量、无接 触、稳定的特点，是理想的定向场。常规磁场使铁磁性材料取向是材料加工过程 中常用的手段。而强磁场能够使非铁磁材料形成取向，并明显改变材料的组织特 征和性能。 1 2 1 1 无相变过程中强磁场取向 1 9 8 7 年，f a r r e l 等【5 】将具有顺磁磁各向异性的y i b a 2 c u 3 0 7 书高温超导颗粒在 室温下与环氧树脂混合，置于9 4 t 强磁场中固化，结果发现y 1 b a 2 c u 3 0 7 - 6 晶体 中磁化率最大的c 轴平行磁场方向取向。此后，多种具有顺磁磁各向异性的高温 超导材料在室温下分散于有机物( 如环氧树脂、庚剧6 1 、氯仿【7 1 和异丙酣8 1 基体中， 置于强磁场中固化均得到类似的结果。石墨和纤维素晶体具有明显的抗磁磁各 向异性。石墨粉末与环氧树脂混合，室温下置于5 t 强磁场中固化，x 衍射分析 表明，石墨晶体中磁化率绝对值最大的c 轴垂直磁场方向取向1 9 】；将含有纤维素 晶须的悬浮液在7 t 强磁场中脱水，得到类似结梨”l 。 无相变过程中强磁场取向的机制为旋转取向：对于具有磁各向异性的晶体， 不同轴向在磁场中受到的磁化能不同。晶体在不同轴向上受到的磁化能差值足够 大时，就促使晶体旋转直到晶体所受磁化能最小的位置( 即平衡位置) 为止，从 而形成取向。此时体系所受磁化能最小。晶体在磁场中旋转取向至少需要两个条 件一是具有较大的磁各向异性磁化率；二是存在固液共存区，且晶粒的尺寸足够 大，磁各向异性能大于体系的热扰动。实际上，晶体在磁场中旋转取向不仅受到 热运动的阻碍，而且受到液体的粘度、晶体之间以及晶体与器壁之间的机械作用、 2 上海大学硕士学位论文 液体中的无规则对流运动和温度梯度的影响“1 。因此，建立在体系磁化能最小基 础上的旋转取向理论只能定性地解释强磁场中晶体取向的现象，无法定量地分析 晶体取向的过程和取向的程度。 1 2 1 2 有相变过程中强磁场取向 在材料的结晶凝固、固态相变等过程中施加强磁场可获得有取向的组织： y - b a - c u o 系超导材料烧结过程中施加强磁场【1 2 】，在材料内部形成大量有明显取 向的颗粒，并且发现在磁场方向上有晶粒长大的现象。y b a 2 c u 3 0 7 5 超导陶瓷在 强磁场中凝固u 】，慢冷，获得大体积织构化材料，并且有晶粒长大现象。b i 4 m n 、 a 1 1 l s i 2 f e 合金在5 t 磁场中凝固【1 4 】，a 1 3 5 c u 、c d 一6 0 z n 、a 1 1 0 n i 和b i g a 合 金分别在o 5 t 1 5 t 的磁场中缓慢凝固1 5 1 ，都获得了有取向的组织。 z n 、b i 都是具有明显磁各向异性的抗磁性金属。在z n 2 b i 气相沉积过程1 1 6 ) 和z n 电析过程中1 刀施加5 t 强磁场，晶体中磁化率绝对值大的轴向垂直磁场方向 取向。高分子化合物p o l y ( e t h y l e n e 2 2 ，6 2 n a p h 2 - t h a l a t e ) 1 8 】( 略写为p e n ) 在熔 点( 2 6 5 ) 附近热处理，生成的晶体沿c 2 轴取向。：苯酿 ( b e n z o p h e n o n e ) 【1 9 】在 8 t 强磁场中结晶生长，观察到晶体的c 轴垂直磁场方向排列，并且有晶体长大现 象。 在结晶凝固等存在相变的过程中，强磁场使组织取向的机理存在争论。一种 观点认为在这种条件下，旋转取向仍然是主要的机制。文献删估算t y b a 2 c u 3 0 6 在强磁场中凝固的磁各向异性能，在体积为1um 3 ，温度1 5 0 0 k ，磁场强度5 t 条 1 件下。按公式e 。主胁俎：v 计算( x ：x x ，代室温时数值) ，得出 e m 5 0 0 0 k t 。f e r r e i r a 掣2 ”通过理论模型计算和实验分析了高温超导材料在强磁 场中凝固取向的形成及程度，认为强磁场对形核过程基本无影响，取向主要发生 在晶体生长的初始阶段，通过晶粒旋转形成；随着晶体长大，晶体间的机械作用阻 碍磁取向进一步发展。 但是许多实验现象表明，有相变过程中旋转取向很可能不是唯一的强磁场取 向机制。9 5 0 左右b i 2s r 2 c a o , 8 d y o2 c u 2 0 8 一，在0 6 t 磁场中实现原位织构化【2 2 】； 9 0 0 下，g d b c o 薄膜在1 t 磁场中合成，也发现织构口 。这两个实验的温度均 上海大学硕士学位论文 低于材料的熔化温度，即在晶体旋转的条件完全不存在时也获得了有磁取向的组 织。c l o o t s 等 2 4 1 在0 6 t 磁场中原位合成r - b a c u o 超导材料时，发现所得材 料除具有织构外，还出现了大量台阶形亚结构，不同于外延生长实验( e p i t a x y e x p e r i m e n t s ) 中所见的螺旋型生长类型1 2 ”。这种台阶形亚结构是复合形核过程的 显著特征 2 6 1 ，表明磁场对晶体形核过程产生影响。因此，强磁场作用下材料取 向很可能存在另一种取向机制：强磁场强制形成优先生长方向取向，即磁场在生 长前沿强制地形成一个优先生长方向，从而使材料在形核长大过程中就按照某一 个方向优先生长，形成取向，没有旋转取向过程。 1 2 2 强磁场抑制流体流动作用 液体中的流动是与体系传热、传质和晶体生长有关的重要问题。当一个导电 熔体中存在因重力场引起的对流运动时，外加磁场感应产生l o r e n t z 力，这个力 总趋向于使对流运动的强度减小。强磁场对导电熔体中流动的抑制作用非常强， 有可能消除定向凝固过程中对流对凝固界面处溶质分离的干扰，从而获得成分均 匀的材料，这对于有掺杂元素的半导体单晶体的制各具有十分重要的意义。在渗 t e 的i n s b 定向凝固过程中施加8 t 轴向磁场，结果t e 的轴向分布变均匀1 2 7 】，但 在( b i ，s b ) 2 t e 3 定向凝固过程中施加轴向磁场( 0 8 t ) ，轴向上b i 的宏观偏析反而 随磁场强度的增加而增大【2 8 1 。可见，强磁场抑制熔体中流动对溶质分布的影响 是复杂的，与作用的体系，施加磁场的方式都有关系。另外，考虑到微弱的对流 在磁场中产生的l o r e n t z 力也很小，强磁场很难完全压制熔体中的对流。强磁场 抑制熔体中流动也显著影响体系的传热和材料的凝固组织，例如p b 两包晶合 金定向凝固易形成周期性组织，施加1 0 t 强磁场可以减轻周期性组织的出现【2 9 。 在某些特定条件下，强磁场对导电熔体的流动还有促进作用。如合金定向凝 固过程中界面为树枝晶生长时，由于西贝克效应( s e e b e c ke f f e c t ) ，在固液界面上 存在一个温差电流。外加一个磁场将在糊状区内引起流体流动，即热电磁流体力 学效果，导致凝固组织粗化和疏松【3 0 。在电化学反应过程中，强磁场与带电粒 子相互作用，改变电解质的流动和传质条件，从而改变了电化学反应的进程，例 如强磁场可以减小铜片在硝酸中的腐蚀速度 3 1 1 。 强磁场对非导电流体同样有控制作用。铁磁质和顺磁质的磁化率都是温度的 4 l 海大学硕士学位论文 函数，当它们的体系中存在温度梯度或磁化率的不均匀分布时，就有可能在强磁 场中引起流动。这并不要求流体一定具有导电性，例如强磁场能够在碳氢基铁磁 性流体中引起对流【3 2 】。 1 3 定向凝固制备共晶自生复合材料概述 共晶凝固，特别是两相共晶凝固的研究具有很高的理论和实际应用价值， 以此为基础建立的共晶凝固理论成为指导共晶材料，尤其是定向凝固共晶复合材 料的研究与开发的理论基础。从该理论目前的发展状况来看，人们的研究工作较 多地集中在a b 型二元合金上，一些有价值的结论大都是从a 1 - a 1 2 c u 、p b s n 和a 1 s i 等体系得到的。其中，a l a 1 2 c u 、p b s n 为规则共晶( 即金属- 金属共晶) 。 a l s i 为非规则共晶( 即金属非金属共晶) ，前者属于非小平面( n o n f a c e t - n o n f a c e t ) 共晶，后者属于非小平面一小平面共晶( n o n f a c e t - f a c e t ) 共晶。 1 3 1 定向凝固制各金属基自生复合材料的发展现状 自生复合材料( h a s i t uc o m p o s i t e s ) ，或称原位复合材料，为共晶合金或偏晶 合金通过定向凝固方法，使基体相和第二相均匀、相间、定向地整齐排列，从而 形成具有纤维强化特征的复合材料【3 3 1 。但是也有人把具有层片状凝固组织的材 料f 3 4 】，共析或不连续共析形成的、组织规则排列的材料，以及反应合成的复合 材料3 6 1 ，甚至通过塑性变形获得的具有规则排列组织的材料阢3 8 】都称为自生 复合材料。自生复合材料与传统的人工复合材料相比，最重要的不同之处在于， 自生复合材料的第二相不是人工加入的，而是通过物理或化学过程“原位”生成 的。因此，自生复合材料克服了人工复合材料存在的界面污染、浸润不良、增强 相分布不均、热稳定性较差等问题，具有显著的优越性。 定向凝固共晶生长是制备金属基自生复合材料的重要和基本的方法之一，增 强体与金属基体在定向凝固时同时从液相中生长出来，得到自生纤维( 或片层) 增强的金属基自生复合材料。此工艺所形成的组织都呈现一定程度的宏观规则排 列，晶体生长的择优取向与传热方向一致。通过选择不同共晶合金体系，加入不 同合金元素，可以改变增强相体积分数和相的组成，从而获得不同力学性能和物 理性能的复合材料。 上海大学硕士学位论文 当定向凝固共晶材料做结构件时，由于其组成相的择优取向，使材料的力学 性能大幅度提高，并由于基体相和增强相同时从准热力学平衡条件下的液相中生 长出来，因此具有强烈的各向异性和很高的热稳定性。这一特征使其在高温领域 有广泛的应用，如高温合金a 1 a 1 3 n i ，a 1 a 1 2 c u ，m o t i c ，n i w 等，可以用于 制作飞机零件、燃气涡轮叶片；当定向凝固共晶材料做功能件时，材料的两相具 有不同的电、磁、热等物理性能以及规则排列引起的各向异性，可用作电磁材料、 电子材料等。例如b i m n b i 共晶合金可做磁性、磁光材料，i n s b - n i s b 共晶成分 具有磁阻效应，可用于红外探测方面，s n s e s n s e 2 共晶成分定向凝固可获得定向 排列的层片状结构，相当于大量细小、平行的p - n 结串联在一起，在电子领域具 有广阔的应用前景。八十年代后还出现了以金属间化合物( 如n i a i 、n i 3 a 1 ) 为 基的定向凝固共晶复合材料。 目前，金属基自生复合材料无论在科研还是生产方面都落后于人工复合材 料，一个重要原因是自生复合材料的获得受合金系选择的限制，因为并非所有的 共晶或偏晶合金均能用于制备自生复合材料，关键是两相共同生长时的界面匹配 问题；此外定向凝固工艺装备复杂，生产效率低也限制了它的发展。 1 3 2 共晶自生复合材料的相界面特点 共晶组织中的相分散度很大，界面在整个合金的界面中占有很大的比例，因 此界面性质对共晶合金的性能起着很大的作用。界面的性质影响到共晶两相问的 结合强度、高温下组织的稳定性以及强化相的析出形态等。 因此，并非所有的共晶或偏晶都能成为复合材料，主要问题在于两相共同生 长时界面是否具有小的界面张力( 即低的界面能) 。这是自生复合材料具有高的 稳定性的条件，低能界面由合适的原子互相排列和两相之间原子密度几乎相等的 择优取向的晶面组成。在片状共晶中，两相间有着一定的择优取向，即相界面 ( h , k ，1 ) o ，k ，1 ) b ，这种择优取向是由系统自动减小其总界面能导致的。此外，一 些两相共晶还存在着优先生长方向，即两相的生长方向沿某些晶体学位向优先。 例如：n i - n i 3 t a 共晶存在阻下关系：片层界面( 1 1 1 ) n i ( 0 1 0 ) n i 3 t a ，生长方向 【0 1 1 n i 【1 0 0 】n i 3 t a 。 些金属金属共晶生长的晶体学关系如表1 1 1 3 3 1 所示。 上海大学硕士学位论文 表1 1 部分金属金属共晶生长的晶体学关系 共晶 生长方向平行界面 a g c u 1l o a g ， 11 0 c u ( 2 1 1 ) a g ，( 2 1 1 ) c u n i n i m o ( 1 1 0 ) n i ，( 1 0 0 ) n i m o 【11 2 n i ，【0 0 1 n i m 。 p b s n 【2 1 1 p b ，【2 1 1 s 。 ( 1 1 1 ) p b ，( 0 1 1 ) s 。 n i n i b e 【1 1 2 n i ，【1 1 0 n i b 。( 1 1 1 ) n i ，( 1 1 0 ) n i b e a 1 一a 1 s b 【1 1 0 a i ，【2 1 1 a i s b( 1 1 1 ) a l ，( 1 1 1 ) a i s b 1 3 3 磁场下定向凝固的研究进展 在定向凝固过程中施加稳恒磁场被广泛的应用于抑制融体内部的流动，减少 宏观和微观偏析。m a t t h i e s e n 0 9 1 在g a g e 合金的定向凝固过程中施加3 0 k g 的 稳恒磁场，抑制了凝固过程中的径向偏析，并且轴向的偏析符合凝固扩散理论。 r o b e r t s o n 4 0 1 在s i 的晶体生长过程中施加横向的磁场来抑制流动，减少宏观和微 观偏析。l e h m a n n 等人】在水平定向凝固过程中施加竖直方向的磁场，研究了 c u a g 和a 1 一c u 两种合金体系。他们认为枝晶间的空隙太小，在磁感应强度较小 ( 1 t ) 的情况下电磁制动所起到的作用很小，而在高温度梯度条件下由于枝晶 上下端温差而引起s e e b e c k 效应则必需要考虑，施加静磁场后产生l o r e n t z 力， 导致枝晶间对流加剧，引起径向偏析。b o e t t i n g e r 4 2 】和t e w a r i t 4 分别对p b s n 合 金进行了研究，前者在定向凝固过程中分别施加0 1 t 的轴向和径向的磁场，发 现磁场对组织形貌和宏观偏析并没有影响；后者在定向凝固的过程中施加0 4 5 t 的径向的磁场，发现胞晶列发生了严重扭曲，而对技晶列没有影响。任忠鸣及 其合作者1 4 4 ，4 5 】进行了强磁场下的共晶合金定向凝固研究，研究发现强磁场使得 m n b i 共晶组织纤维尺寸变大，纤维间距变宽；p b s n 共晶合金两相组织的排列 发生严重扭曲。刘晴 4 6 1 进行了a 1 一c u 合金的施加横向磁场的定向凝固实验，发 现施加磁场后枝晶有粗化的现象，并且枝晶间距变宽。y a s u d a 等1 4 7 l 在1 0 t 强磁 上海大学硕士学位论文 场中研究了定向凝固p b 3 3 a t b i 和s n 1 0 a t c d 包晶合金的结晶过程，发现对 于p b 3 3 a t b i 包晶合金，当生长速度为0 4 2um s 和o 5 6 “m s 时，在任何一个 小于1 0 t 的磁场中都发现了周期性组织，而且磁场的施加明显增加了周期性组 织的形成长度；另一方面，对于s n 1 - 0 a t c d 包晶合金，磁场对带状组织没有明 显的影响。y a s u d a 认为包晶合金中的周期性组织是由包晶反应自身引起的，并 且熔体中的非稳定流也起了很大作用：包晶系统中的周期性组织是一种耗散结构 等等。强磁场对于传统的共晶材料a 1 a 1 2 c u 共晶体系生长的影响迄今尚未得到 系统研究。 1 4a 1 一a 1 2 c u 共晶合金及组织简介 1 4 1a i 、a 1 2 c u 晶体结构 a i 的晶体结构为典型面心立方结构，晶格常数为a = b = e = 4 0 5 a ，a = p 1 = 9 0 。 a 1 2 c u 的晶体结构为正方结构，属于空间群1 4 m e m ，即c 1 6 结构，晶格常数为 a = b = 6 0 6a ，c = 4 8 7a ，t t = 1 3 = , = 9 0 。，其单胞如图1 1 所示： 图1 1a 1 2 c u 单胞示意图 上海大学硕士学位论文 图中深色原子为a l 原子，浅色原子为c u 原子。单胞中含a l 原子8 个，c u 原子4 个，构成a i ：c u = 2 ：1 的计量比。各原子具体坐标如表1 2 所示： 表1 2a 1 2 c u 单胞内各原子坐标h 8 1 a 1 1 0 1 5 4 1 ，o 6 5 4 1 ，0 c u l o ，0 ，1 4 ) a 1 2 o 3 4 5 9 ，0 1 5 4 1 ，o c u 2 0 ，0 ，3 4 ) a 1 3 o 8 4 5 9 ，o 3 4 5 9 ，o c u 3 1 2 ，1 2 ，1 4 a 1 4 o 6 5 4 1 ，o 8 4 5 9 ，0 c u 4 1 2 ，1 2 ，3 4 a 1 5 o 8 4 5 9 ，0 6 5 4 1 ，0 5 ) a 1 6 0 6 5 4 1 ，o 1 5 4 1 ，o 5 ) a 1 7 0 1 5 4 1 ，o 3 4 5 9 ，o 5 a 1 8 0 3 4 5 9 ，o 8 4 5 9 ，o 5 ) 1 4 2 定向凝固a l a 1 2 c u 共晶微观结构 a 1 a 1 2 c u 共晶是一种常见的自生复合材料 4 9 - 5 3 1 ，其中间相a 1 2 c u 与a l 能构 成典型的共晶层片组织。在定向凝固的作用下，能够方便得到沿着定向凝固热流 反方向生长的a l - a 1 2 c u 层片组织。需要指出的是，在共晶合金定向凝固过程中， 虽然某些合金的两个固相之间存在确定的晶体学位向关系及生长方向，如p b s n 、 n i n i 3 t a 等，但也有某些合金不存在确定的位向关系及生长方向，例如本文所选 用的a i a 1 2 c u 共晶。 1 9 6 9 年，d a v i e s 和d o u b l e 相继报道了a 1 与a 1 2 c u 相对位向在 1 1 1 a i 2 1 1 a 1 2 c u ， a 1 a 1 2 c u ”关系的1 2 。内变化 5 1 - 5 3 1 。1 9 7 4 年，c a n t o r 和 c h a d w i c k 在整理归纳前人研究的基础上，认为a l a 1 2 c u 共晶相对位向为“ 1 1 1 2 “ a 1 2 c u ， a 1 a 1 2 c u ”的8 。差异内，且a j a 1 2 c u 共晶无特定 生长方i 句 , 1 9 1 。 7 0 年代，c a n t o r 和c h a d w i c k 运用精密菊池线电子衍射技术，研究定向凝固 a 1 一a 1 2 c u 共晶组织的晶体学关系。他们认为a 1 a 1 2 c u 共晶的生长是由低能界面 9 上海大学硕士学位论文 的生长所控制的，a i a 1 2 c u 共晶的低能界面为平行于 1 1 1 ) mf 口 2 1 1 i a l 2 c u 的界 面。表1 3 为c a n t o r 和c h a d w i c k 归纳整理的先前对a 1 a 1 2 c u 共晶组织的位向关 系及生长方向的研究结果。表1 4 为c a n t o r 和c h a d w i c k 所做工作的结果。 与先前的结果比较致的是，他们观察到了低指数面的共晶层片界面与相对 位向关系，但在任何一个层片里都没有观察到低指数的生长方向。并且，无论是 在不同的晶粒之间还是同一个晶粒之内，他们均发现观察到的晶体学关系存在一 定的差异( 8 - 1 0 。内) 。并且，他们还认为不同的单个晶粒间存在8 一1 0 。的晶体 学关系上的差异。 c a n t o r 和c h a d w i c k 认为除了界面能会影响a 1 - a 1 2 c u 共晶组织的晶体学关 系，局部生长波动和各项异性的成长动力学也会影响其晶体学关系。并且，后者 的差异不可小视。实际的处理工艺也会对a 1 a 1 2 c u 共晶的晶体学关系有一定的 影响。 表1 3c a n t o r 和c h a d w i c k 归纳整理的早先对定向凝固a l a 1 2 c u 共晶的晶体学关 系的研究结果4 9 】 位向关系生长方向 界面晶面 0 0 1 ) a i n 0 0 1 a 1 2 c u a l ， a 1 2 e u 1 1 1 ) a l 2 1 1 a f 2 c u 非低指数方向 ( 1 1 1 a i a i a 1 2 c u 2 1 1 a 1 2 c u 1 1 1 ) a t 2 1 1 ) a 1 2 c u 非低指数方向 与 1 1 1 h ， 2 1 1 ) a 1 2 c 。相差 a i h a 1 2 c u 1 2 。 1 l l a i h 2 1 1 ) a 1 2 c 。 非低指数方向 与 1 1 1 ) 从 2 1 1 ) a 1 2 c 。相差 a i a 1 2 c u 1 2 。 表1 4 c a n t o r 和c h a d w i c k 对定向凝固a i a h c u 共晶的晶体学关系的研究结果1 4 9 】 i 位向关系生长方向 界面晶面 i 1 1 1 ) a l h 2 1 1 ) a 1 2 c 。 有变化 与 1 1 1 ) j ， 2 1 1 舭c 。相差 a i a 1 2 c u8 。内 o 上海大学颂二e 学位论文 由此可见，a 1 一a 1 2 c u 共晶的相对位向为“ 1 1 1 a l 2 1 1 ) a 1 2 c 。， 川 a 1 2 c 。” 的8 1 0 。差异内，且没有特定的生长方向和确定的相对位向关系。此外，迄今为 止强磁场对定向凝固a i a h c u 共晶组织的影响仍未见报道。 1 5 选题意义、思路和主要工作内容 目前，本实验室已研究了强磁场对自生复合材料组织的形貌产生较大的影响 【4 4 ，4 5 ，5 4 ，5 5 】。例如，强磁场使凝固时m n b i 合金形态发生很大变化，在一 定条件下它将演变成棒状，并在试样外侧呈环状偏聚，且棒的长轴与磁场同向 蟑”。m n b i 包晶合金在1 0 t 强磁场下，m n b i 析出相发生形状突变( 即由较规则 的六方块状变为沿a b 面长大的不规则片状) 的温度比无条件情况下提高约1 5 0 c ， 1 0 t 强磁场能控制合金中的m n b i 析出相以c 轴平行磁场取向、定向聚合和融合 长大，并使析出相趋向较规则的六方块状1 55 1 。施加强磁场后，m n b i 共晶组织纤 维尺寸变大，纤维间距变宽【4 4 1 ：p b s n 共晶合金两相组织的排列发生严重扭曲【4 5 1 。 但是，强磁场对共晶组织形貌的影响机理尚未明确，因此拟探索共晶在强磁场下 的取向、位向、组织的变化，揭示强磁场下共晶生长机理。 本工作将强磁场作用于定向凝固制备a 1 a 1 2 c u 共晶的整个过程，将其组织 与无磁场下的a 1 一a 1 2 c u 共晶组织进行对比，用x 射线衍射( x r d ) 和透射电子 显微镜( t e m ) 研究了强磁场下a l - a 1 2 c u 共晶的取向，用t e m 观察了a 1 a