Sn-Bi系与Pb-30%Sb合金熔体结构转变的可逆性及其对凝固的影响

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在材料的凝固及晶体生长的工程实践及研究中,人们早就发现了液-固遗传现象,以及固体的结构和性能与其母相液体的热历史相关性。近年,人们探索了对熔体进行诸如“过热”、“温度处理”、“热速处理”等工艺方法,取得了一些可喜进展。然而,虽然人们将凝固行为及组织的不同归结为与熔体结构的相关性,但对其内在规律及本质并不十分清楚,工艺探索上往往也就存在一定盲目性。本文研究了Sn-Bi系合金及Pb-30%Sb合金的电阻率温度特性,探讨了合金熔体结构转变及其可逆性,并探索了由此而引起的凝固行为、凝固组织的影响及作用规律。主要内容及结论如下:(1)通过五种成份Sn-Bi系合金及纯Sn和纯Bi电阻率温度特性的研究,发现在液相线上特定温度范围内均会发生温度诱导液-液结构转变;且该合金系中所发生的结构转变在随后的降温过程中部分可逆。(2)分析认为主要与Sn相关,因液态Sn中存在两种不同性质的短程序结构:一种是不可逆的短程序结构,它表现为某种亚稳态的团簇;另一种是可逆的短程序结构,它表现为呈四面体结构的Sn-Sn共价键团簇。(3)以发生液-液结构转变的温度区间为参考,选取两温度(液-液结构转变前,液-液结构转变后)作为合金的熔炼保温温度,通过对Sn-Bi系三种成分合金的凝固实验研究发现,发现结构变化后的熔体凝固过冷度增大,从而使得临界形核半径减小,形核率增大,晶体生长速度减小,还会使溶质有效分配系数减小。最终结果使得凝固组织细化,并影响组织的偏析。(4)通过Pb-30%Sb合金电阻率研究,发现该合金在843-1020℃范围内发生熔体结构转变且不可逆,并且结构转变后的Pb-30%Sb熔体凝固行为发生显著变化,再次验证了温度诱导熔体结构转变对凝固有较大的影响。熔体结构转变在Sn-Bi系合金的可逆现象以及Pb-30%Sb合金中的不可逆现象,揭示了温度诱导的液-液结构转变在不同系统中呈现出相异的特征属性和规律,对“温度诱导非连续液.液结构转变”规律和性质的整体认知有重要意义。此外,依据熔体结构与性质及其变化特点等方面的信息,来探索了由此而引起的凝固行为、凝固组织的影响及作用规律,不仅避免了通常研究的盲目性,而且,其相关结论对于认识“热历史相关性”这一基本规律问题,从物理本质上有了明确而具体的深入理解,对发展凝固相关的材料加工新工艺具有积极意义。
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