復(fù)相合金的快速凝固及電阻率研究.pdf

1、本文選取偏晶、包晶和共晶三種不同類型的復(fù)相合金作為研究對象，較為系統(tǒng)地研究了急冷快速凝固條件下復(fù)相合金的組織形成規(guī)律，對比分析了急冷與深過冷兩種快速凝固過程的共性和差異，同時(shí)探索了快速凝固復(fù)相合金的電學(xué)性能特征。取得了以下主要研究結(jié)果： 研究了：Fe-Sn和Cu-Pb系偏晶合金在快速凝固過程中的組織和相選擇規(guī)律、相分離行為和晶體生長特性，揭示了快速偏晶轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)機(jī)制。在急冷快速凝固條件下，液相分離在很大程度上受到抑制，各種成分的

2、偏晶合金均獲得了均勻彌散的微觀組織。在Fe-Sn偏晶系合金中，大的冷卻速率使較高溫度下慣常發(fā)生的包晶轉(zhuǎn)變被抑制。Fe-15.6％Sn亞偏晶合金由單相α-Fe固溶體組成；Fe-40％Sn亞偏晶合金和Fe-48.8％Sn偏晶合金除形成過飽和的α-Fe相之外，還形成了具有六方晶體結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)相Fe<,1.3>Sn和β-Sn；Fe-58％Sn過偏晶合金則形成了a-Fe相與亞穩(wěn)的β-Sn、Fe<,1.3>Sn和FeSn<,2>相。隨著冷卻速率增大，

3、亞穩(wěn)相種類及數(shù)量趨于增多，偏晶、亞偏晶合金的組織形態(tài)由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，過偏晶合金則因發(fā)生液相分離和熔體流動(dòng)而形成規(guī)則排布的纖維狀組織。 在Cu-Pb偏晶系合金中，偏晶、亞偏晶合金中富Cu相以枝晶方式在過冷熔體中快速生長。其分枝能力很強(qiáng)，將富Pb的L<,2>液滴包覆其中，凝固形成晶內(nèi)細(xì)小的(Pb)相。富Pb相在很大程度上分布于(Cu)枝晶的晶內(nèi)。過偏晶合金的凝固組織由不規(guī)則的團(tuán)塊狀富Cu相和分布于其間的富Pb相加細(xì)小的(Cu)

4、枝晶混合相組成。隨著冷卻速率增大，晶粒尺寸顯著減小，組織形態(tài)由粗大枝晶向細(xì)小的等軸晶轉(zhuǎn)變。 通過系統(tǒng)地研究Co-Cu和Fe-Cu系包晶系合金急冷快速凝固行為，揭示了包晶合金的組織演變規(guī)律和液相分離動(dòng)力學(xué)機(jī)制。在Co-Cu系合金中，快速凝固使Co在(Cu)相中的固溶度從平衡條件下的7.46％擴(kuò)展到20％。當(dāng)C<,0>>80％Cu時(shí)，包晶相(Cu)可從過冷熔體中直接形核析出，形成單相(Cu)的凝固組織。隨著冷速增大，組織形態(tài)由等軸晶

5、向柱狀晶轉(zhuǎn)變。C<,0>在40～70％Cu成分范圍內(nèi)，液相分離被抑制，凝固組織呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)結(jié)構(gòu)——輥面細(xì)晶區(qū)和自由面粗晶區(qū)。細(xì)晶區(qū)中αCo和(Cu)相競爭形核，并以枝晶方式交互生長，形成形態(tài)細(xì)密的兩相混合組織。粗晶區(qū)中αCo為領(lǐng)先相，一定量的富Cu相分布于αCo枝晶間隙，形成以aCo為主相的凝固組織。 Fe-Cu包晶合金發(fā)生液相分離的成分范圍較窄，約在40～66.4，％Cu之間。由于液池底部動(dòng)量和能量傳輸?shù)墓餐饔?，液池底部形成了?/p>

6、160～300μm的熱邊界層和160～240μm的動(dòng)量邊界層。隨著雷諾數(shù)的增大，熱邊界層厚度單調(diào)增大，而動(dòng)量邊界層厚度先緩慢減小后稍有回升，隨之急劇減小。當(dāng)Re<1024時(shí)，動(dòng)量傳輸作用較強(qiáng)，液相流動(dòng)對組織形成影響顯著，分離液相易于形成纖維狀凝固組織。當(dāng)Re>1024時(shí)動(dòng)量傳輸受到抑制，能量傳輸作用顯著增強(qiáng)，冷速增大，容易獲得均勻細(xì)小的等軸晶組織。 系統(tǒng)地探索了共晶合金的快速凝固及其組織演變規(guī)律，揭示了不規(guī)則共晶的形成機(jī)制。在大

7、的過冷度或冷卻速率下，共晶合金的組織形態(tài)以不規(guī)則共晶為特征。兩相競爭形核、隨機(jī)分枝和交互生長導(dǎo)致不規(guī)則共晶的形成。隨著冷速的增大，共晶組織顯著細(xì)化，均勻性明顯提高。 對比分析了偏晶、包晶和共晶三種不同類型復(fù)相合金快速凝固的個(gè)性和共性規(guī)律。在深過冷和急冷兩種快速凝固方式中，盡管深過冷熔體可獲得較大的形核過冷度，但其冷卻速率相對較小。而急冷快速凝固的冷卻速率高達(dá)10<'6>K/s。三類合金的凝固行為對冷卻速率均十分敏感。隨著冷卻速率

8、的增大，復(fù)相合金的競爭形核和生長態(tài)勢增強(qiáng)，凝固組織顯著細(xì)化，均勻性提高。凝固特性表現(xiàn)為：不規(guī)則共晶凝固、包晶相獨(dú)立形核生長和相分離受到抑制。急冷快速凝固比深過冷快速凝固更容易獲得組織細(xì)小、均勻彌散的快速凝固組織。 通過深入研究三種不同類型合金的快速凝固特征，揭示了復(fù)相合金的微觀結(jié)構(gòu)與電阻率之間的相關(guān)性。隨著冷速增大，F(xiàn)e-Sn偏晶系合金亞穩(wěn)相數(shù)量增多，對自由電子散射作用增強(qiáng)，合金電阻率顯著增大；Cu-Pb偏晶系合金因固溶度、(P