强磁场作用下Fe-Sn和Cu-Fe合金凝固组织及性能的研究

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近年来,超导强磁场已广泛应用到材料科学的各个分支,在基础研究中发挥越来越大的作用。研究者普遍认为强磁场作用下材料制备及应用中孕育着大量新理论和新技术。本论文是在国家自然科学基金项目(No.50574027)和国家高技术研究发展计划项目(863计划)(No.2007AA03Z519)资助下,针对偏晶合金两组元间密度差较大,常规铸造很难获得弥散分布组织,限制了其应用的问题,开展了强磁场作用下Fe-Sn偏晶合金凝固及磁性能的研究。利用强磁场控制其凝固过程,改善Fe-Sn凝固组织与性能。另一方面,针对高强高导Cu-Fe合金导电率与抗拉强度之间的矛盾关系,开展了强磁场作用下Cu-Fe合金凝固、加工、热处理及性能的研究,以探索强磁场改善Cu-Fe合金性能的途径。强磁场作用下Fe-49%Sn偏晶合金凝固组织及磁性能的研究结果表明,Fe-Sn合金的α-Fe枝晶趋于沿平行磁场方向排列,且随磁感应强度的增加,取向排列程度逐渐增强。这是由于α-Fe的易磁化<100>方向不仅为晶体内部能量最低的方向,而且也是α-Fe枝晶的择优生长方向。强磁场的施加诱使α-Fe枝晶沿<100>方向的择优取向生长,促使了α-Fe趋于沿平行磁场方向定向排列。XRD分析表明,随磁感应强度的增加,平行磁场方向的α-Fe(110)晶面衍射强度逐渐增强,表明施加强磁场诱使α-Fe相的取向程度增加;磁性检测结果表明,随强磁场磁感应强度的增加,Fe-49%Sn合金沿平行与垂直磁场方向的磁滞回线差异逐渐增加,表明强磁场诱使合金的磁各向异性增加;在本实验的冷却条件下,冷速对Fe-49%Sn合金的微观组织和磁性能影响很小;而保温时间对其影响较大,这主要是由于延长保温时间,强磁场诱使α-Fe取向排列增强,从而增加其磁各向异性。强磁场下Cu-Fe合金富Fe相迁移规律的研究结果表明,无磁场作用时,富Fe颗粒较均匀分布于Cu熔体中;随着施加稳恒磁场磁感应强度的增加,富Fe相上浮程度增加;而施加向下的梯度磁场作用后,富Fe相向下迁移,不仅从宏观熔体迁移过程而且对微观组织取向排列进行分析,揭示了强磁场作用下熔体迁移规律。强磁场作用下铸态Cu-Fe合金的固溶时效处理的研究结果表明,在1000℃固溶温度下,施加10T强磁场使得基体中的Fe含量降低了0.39%,表明强磁场可以在一定程度上促进Fe在Cu基体中的析出,获得与缓冷相类似的效果;进一步对试样分别进行500℃和800℃的时效处理,发现10 T强磁场下500℃时效时基体中的Fe含量最低。分析认为,这是由于施加强磁场改变了原子的激活能,影响了原子的扩散行为,而且施加强磁场时的扩散系数DM与无强磁场时的扩散系数D满足DM=Dexp(U/kT)的关系。强磁场作用下铸态Cu-Fe合金沉淀析出处理后的XRD和EDS分析表明,10 T强磁场下500℃沉淀析出处理后,Fe析出较多,基体中Fe的固溶度降低,延长处理时间使得基体中Fe的析出略有增强;基体中Fe的固溶度、显微硬度及晶格常数的测量结果表明,施加强磁场可以改变晶体晶格畸变以及析出相与基体间的共格关系,并且以500℃处理后的效果最佳。多道次拉拔原位形变Cu-14.5%Fe合金微观组织及力学/导电性能的研究结果表明,随拉拔形变量的增加,横截面上形成卷曲的ribbon状Fe纤维形貌,并且Fe纤维密度和均匀性增加,且纤维的平均间距λ与形变率77呈λ=32exp(-0.42η)的指数衰减关系;力学性能的研究表明,随拉拔形变量的增加,原位形变Cu-14.5%Fe合金的抗拉强度逐渐增加,且超出混合定律的强度ΔσD与纤维的平均间距λ满足ΔσD=-188+465λ-1/2的关系;导电性能的研究表明,随形变量的增加,导电率维持在49.54~56.89%IACS的范围内,且在形变率η=4.91~8.23情况下电阻率与形变率近似满足线性关系。原位形变Cu-14.5%Fe合金退火处理对力学/导电性能的研究结果表明,随退火温度的升高,材料的抗拉强度及显微硬度逐渐降低,而导电率受到基体及纤维组织改变等因素的影响先增加后降低,退火温度为450℃时抗拉强度与导电率的综合性能较优;随保温时间的增加,抗拉强度与显微硬度首先急剧降低,而后渐渐变缓,而导电率恰好相反,保温时间为1h时抗拉强度与导电率的综合性能较优;炉冷、空冷和淬水三种冷却方式的研究表明,空冷时导电率与抗拉强度匹配较优。原位形变Cu-14.5%Fe合金(形变率η=8.23)强磁场退火后的力学/导电性能的研究结果表明,在300℃退火时,随强磁场磁感应强度的增加,抗拉强度迅速增加,而后略有下降,随着磁感应强度的进一步升高,抗拉强度呈线性增加,在强磁场为10T时抗拉强度增加11%;而导电率却迅速下降;在500℃退火时,随磁感应强度的增加,抗拉强度先降低后增加,在强磁场为10T时抗拉强度增加2.8%,而导电率在5T强磁场下达到58.7%IACS;在800℃退火时,随磁感应强度增加,抗拉强度与导电率都显著增加,可以部分解决导电率与抗拉强度的矛盾关系;导电率-抗拉强度的分布关系表明,退火工艺中施加强磁场对其分布规律略有改变;引入FM=导电率×抗拉强度/密度对不同退火温度进行综合评价,表明退火温度为300℃时获得较优的综合评价指标可达5786。
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