论文部分内容阅读
本文选取偏晶、包晶和共晶三种不同类型的复相合金作为研究对象，较为系统地研究了急冷快速凝固条件下复相合金的组织形成规律，对比分析了急冷与深过冷两种快速凝固过程的共性和差异，同时探索了快速凝固复相合金的电学性能特征。取得了以下主要研究结果：研究了Fe-Sn和Cu-Pb系偏晶合金在快速凝固过程中的组织和相选择规律、相分离行为和晶体生长特性，揭示了快速偏晶转变动力学机制。在急冷快速凝固条件下，液相分离在很大程度上受到抑制，各种成分的偏晶合金均获得了均匀弥散的微观组织。在Fe-Sn偏晶系合金中，大的冷却速率使较高温度下惯常发生的包晶转变被抑制。Fe-15．6％Sn亚偏晶合金由单相α-Fe固溶体组成；Fe-40％Sn亚偏晶合金和Fe-48．8％Sn偏晶合金除形成过饱和的α-Fe相之外，还形成了具有六方晶体结构的亚稳相Fe1.3Sn和β-Sn；Fe-58％Sn过偏晶合金则形成了α-Fe相与亚稳的β-Sn、Fe1.3Sn和FeSn2相。随着冷却速率增大，亚稳相种类及数量趋于增多，偏晶、亚偏晶合金的组织形态由柱状晶向等轴晶转变，过偏晶合金则因发生液相分离和熔体流动而形成规则排布的纤维状组织。在Cu-Pb偏晶系合金中，偏晶、亚偏晶合金中富Cu相以枝晶方式在过冷熔体中快速生长。其分枝能力很强，将富Pb的L2液滴包覆其中，凝固形成晶内细小的（Pb）相。富Pb相在很大程度上分布于（Cu）枝晶的晶内。过偏晶合金的凝固组织由不规则的团块状富Cu相和分布于其间的富Pb相加细小的（Cu）枝晶混合相组成。随着冷却速率增大，晶粒尺寸显著减小，组织形态由粗大枝晶向细小的等轴晶转变。通过系统地研究Co-Cu和Fe-Cu系包晶系合金急冷快速凝固行为，揭示了包晶合金的组织演变规律和液相分离动力学机制。在Co-Cu系合金中，快速凝固使Co在（Cu）相中的固溶度从平衡条件下的7．46％扩展到20％。当C0>80％Cu时，包晶相（Cu）可从过冷熔体中直接形核析出，形成单相（Cu）的凝固组织。随着冷速增大，组织形态由等轴晶向柱状晶转变。C0在40～70％Cu成分范围内，液相分离被抑制，凝固组织呈现出明显的分区结构——辊面细晶区和自由面粗晶区。细晶区中αCo和（Cu）相竞争形核，并以枝晶方式交互生长，形成形态细密的两相混合组织。粗晶区中αCo为领先相，一定量的富Cu相分布于αCo枝晶间隙，形成以αCo为主相的凝固组织。Fe-Cu包晶合金发生液相分离的成分范围较窄，约在40～66．4％Cu之间。由于液池底部动量和能量传输的共同作用，液池底部形成了高160～300μm的热边界层和160～240μm的动量边界层。随着雷诺数的增大，热边界层厚度单调增大，而动量边界层厚度先缓慢减小后稍有回升，随之急剧减小。当Re<1024时，动量传输作用较强，液相流动对组织形成影响显著，分离液相易于形成纤维状凝固组织。当Re>1024时动量传输受到抑制，能量传输作用显著增强，冷速增大，容易获得均匀细小的等轴晶组织。系统地探索了共晶合金的快速凝固及其组织演变规律，揭示了不规则共晶的形成机制。在大的过冷度或冷却速率下，共晶合金的组织形态以不规则共晶为特征。两相竞争形核、随机分枝和交互生长导致不规则共晶的形成。随着冷速的增大，共晶组织显著细化，均匀性明显提高。对比分析了偏晶、包晶和共晶三种不同类型复相合金快速凝固的个性和共性规律。在深过冷和急冷两种快速凝固方式中，尽管深过冷熔体可获得较大的形核过冷度，但其冷却速率相对较小。而急冷快速凝固的冷却速率高达106K／s。三类合金的凝固行为对冷却速率均十分敏感。随着冷却速率的增大，复相合金的竞争形核和生长态势增强，凝固组织显著细化，均匀性提高。凝固特性表现为：不规则共晶凝固、包晶相独立形核生长和相分离受到抑制。急冷快速凝固比深过冷快速凝固更容易获得组织细小、均匀弥散的快速凝固组织。通过深入研究三种不同类型合金的快速凝固特征，揭示了复相合金的微观结构与电阻率之间的相关性。随着冷速增大，Fe-Sn偏晶系合金亚稳相数量增多，对自由电子散射作用增强，合金电阻率显著增大；Cu-Pb偏晶系合金因固溶度、（Pb）相弥散度和晶粒细化及晶体缺陷密度引起的散射源增多，合金电阻率显著增大。冷速增大使包晶系合金的晶界、位错等晶体缺陷数量增多，对自由电子的散射作用增强，合金的电阻率也呈现出明显地增大趋势。由于冷速增大，共晶合金相中的固溶度增大，晶界和晶体缺陷数量增多，对自由电子的散射作用增强，合金的电阻率显著增大。当晶界散射系数r→1时，可使用M-S模型对快速凝固复相合金的电阻率进行理论计算。