窦永香[1]2008年在《强磁场对Al-5％Mn合金析出相凝固行为的影响》文中指出材料的发展对国民经济和科技的飞速发展起到了至关重要的作用,随着科技的不断进步,对材料的各项要求也越来越高。在材料科学领域,开发新技术、采用新工艺是提高材料性能和开发新材料的重要途径。Al-Mn合金具有许多优异的物理特性和化学特性,是工程应用中的一种十分重要的金属材料。如果合金中的锰分布均匀,则它们的热加工性能与冷加工性能与工业纯铝非常接近,但综合性能却比纯铝高很多。Al-Mn合金的铸造性能不好,因为其凝固范围很窄,流动性低,所以按照常规的方法难以获得均匀的组织。强磁场能够将大强度的磁化能量无接触地输入到材料中,改变材料的热力学状态,并对材料产生力的作用,从而对材料的凝固等相变过程,组织的形态分布和微结构等产生巨大的影响。因此,强磁场的应用为新材料制备开辟了新的研究领域,具有广阔的发展前景。本文介绍了强磁场的发展概况,阐述了强磁场在材料科学方面的一些应用及其对材料性能的影响。研究了场强达12T的强磁场条件下Al-Mn合金中Al_6Mn析出相的凝固行为,较系统地考察了强磁场中合金析出相凝固的现象、规律和机制,揭示了强磁场中析出相的演化过程,并对其凝固行为做了初步探讨,得到以下结论:1.强磁场条件下Al-Mn合金中Al_6Mn析出相以c轴平行磁场方向取向,且Al_6Mn相晶体的长轴与c轴垂直,形成垂直磁场的规则层状组织。2.Al-5%Mn合金在10T强磁场中从全熔态和半固态下凝固,所得取向组织相似,但半固态凝固条件下所得组织更为细小。3.在不同强度强磁场中凝固,Al-5%Mn合金都能形成取向组织,且随着磁场强度的增加、晶粒尺寸的增大,取向程度不断增大。4.经不同保温时间凝固时,随着保温时间的延长,Al_6Mn析出相聚合长大程度也逐渐增强;且保温20分钟时已基本能形成连续的链状组织。5.由热力学分析得到,铁磁性晶体和顺磁性晶体将以磁化率最大的晶体轴平行磁场取向,抗磁性晶体将以磁化率绝对值最大的晶体轴垂直磁场取向。
王晖[2]2002年在《强磁场对合金中析出相凝固行为的影响》文中指出强磁场能够将大强度的磁化能量无接触地输入到材料中，改变材料的热力学状态，并对材料产生力的作用，从而对材料的凝固等相变过程，组织的形态分布和微结构等产生巨大的影响。因此，强磁场的应用为新材料制备开辟了新的研究领域，具有广阔的发展前景。 本文实验研究了场强达12T的强磁场条件下Bi-Mn合金中铁磁性MnBi析出相和Al-Ni合金中非铁磁性的Al_3Ni析出相的凝固行为，较系统地考察了强磁场中合金析出相凝固的现象、规律和机制，揭示了强磁场中析出相组织的演化过程，并且从析出相的磁各向异性和析出相晶体间磁性作用出发对实验现象进行了理论分析，另外还从热力学角度对强磁场中纯金属凝固做了初步探讨，得到以下主要结果： (1) 强磁场条件下Bi-Mn合金中MnBi析出相和Al-Ni合金中Al_3Ni析出相均以其c轴平行磁场方向取向，MnBi相晶体沿磁场方向定向聚合和熔合长大，形成平行磁场的规则棒状组织；首次观察到Al_3Ni相晶体的长轴与c轴垂直，形成垂直磁场的规则层状组织； (2) 合金中析出相形成规则排列组织存在磁感应强度和半固态加热温度的阈值，在阈值以上析出相的取向程度(Γ值)随磁感应强度的增强和加热温度的升高而逐渐增大；溶质含量较高的合金形成规则排列组织所需磁感应强度阈值或半固态加热温度阈值较高； (3) Bi-Mn合金从355℃-446℃的半固态凝固，首次发现10.0T强磁场促使析出相晶体由六方晶体转变为沿ab面长大的片状晶体的温度从340℃提高到360℃左右，并且对已取向MnBi晶体的生长过程有明显的控制作用，促使晶体在随后的降温凝固过程中又由不规则的片状晶体变为较规则的六方晶体； (4) Bi-Mn合金中MnBi析出相在磁场中形成定向排列组织后，合金在组织定向排列方向上的剩磁性能与无磁场试样相比均提高1倍左右；但不论是否加磁场，合金从全熔态凝固或从355℃-446℃的半固态凝固所得试样的剩磁性能均比从262℃-355℃的半固态凝固所得试样降低约一个数量级； (5) Bi-Mn合金中MnBi相在磁场中磁化取向后，晶体间磁性相互作用对析出 相定向排列组织的形成过程和形成后的稳定性有重要影响; (6)理论分析表明，磁各向异性的铁磁性和顺磁性晶体趋向以磁化率最大的晶 体轴平行磁场方向取向，而抗磁性晶体趋向以磁化率绝对值最大的晶体轴 垂直磁场取向;取向晶体间的磁性相互作用导致晶体定向聚合:(7)Bi一3%Mn合金加热至300℃，合金中MnBi析出相晶体在施加仪ST磁场 的15之内就能够形成取向;动力学分析表明，当MnBi.晶体在磁场中所 受磁场力达到10倍重力且液相粘度在0.01尸a.:左右时，晶体的旋转取向 过程能够在10ms左右完成，估算出300℃时MnBi晶体所受磁场力达到 10倍重力所需的外磁场磁感应强度约在0.46T-O.65T之间;可见实验研究 与理论分析一致，证实MnBi析出相晶体在磁场中取向的机制主要为旋转 取向;(8)热力学分析表明，磁场使顺磁性物质的吉布斯自由能降低，抗磁性物质的 吉布斯自由能升高;磁各向异性的顺磁性晶体以磁化率最大的轴平行磁 场，抗磁性晶体以磁化率绝对值最大的轴垂直磁场时，晶体在磁场中所受 的吉布斯自由能最低;(9)强磁场中纯金属凝固，顺磁性纯金属的平衡凝固点温度升高，临界形核半 径减小;抗磁性纯金属的平衡凝固点温度降低，临界形核半径增大;IOT 强磁场引起的纯金属平衡凝固温度的变化在O.IK左右或者更小。 本论文工作将有助于加深人们对强磁场中金属凝固过程的认识，为强磁场下制备金属基自生复合材料和各向异性材料等提供基础和参考。
王科峰[3]2014年在《强静磁场对过共晶合金定向凝固组织影响的研究》文中指出已有研究表明，强静磁场的施加可以影响定向凝固组织，进而改善材料的性能。过共晶合金作为一种典型的结构材料已经得到研究者的广泛关注，但对其在磁场下定向凝固组织的系统研究还较少涉及。本文选取了Al-40wt%Cu、Al-12wt%Ni和Bi-Mn合金叁种过共晶合金体系作为研究对象，重点探索了纵向强静磁场（文中称纵向强磁场）对合金固/液界面形貌和初生相形貌、取向以及排列的影响规律。论文的主要工作如下：实验研究了纵向强磁场对Al-40wt%Cu合金定向凝固组织的影响，发现纵向强磁场改变了Al-40wt%Cu合金的固/液界面形态及初生相组织形貌。相比于无磁场条件，施加纵向强磁场使得原先长条状的Al2Cu初生相变得不规则甚至破碎；初生相形貌由规则有棱角的小平面结构转变为不规则胞状的非小平面结构，并且产生“斑状”组织，形成了宏观偏析。同时，磁场的引入导致了糊状区长度的减小，初生相间距变小和晶粒细化。EBSD结果分析表明施加磁场后破碎的Al2Cu初生相沿定向凝固方向的取向仍为[001]方向。施加磁场后Al-40wt%Cu合金定向凝固组织上的变化可归结为热电磁效应的作用：热电磁力使得Al2Cu长条状初生相折断，影响了初生相的形貌；热电磁对流造成宏观偏析。实验研究了纵向强磁场对Al-12wt%Ni合金凝固组织的影响，发现纵向强磁场在Al-12wt%Ni合金的定向凝固过程中对Al3Ni相的取向和排列产生了显着影响。无磁条件下，Al3Ni初生相沿凝固方向排列；施加纵向强磁场后，Al3Ni初生相发生偏转。当纵向强磁场达到一定强度后，Al3Ni初生相组织的长轴方向最终垂直于磁场方向，形成和Al/Al3Ni共晶相相互平行的聚合面，在整个试样上形成了层状组织。在纵向强磁场定向凝固过程中Al3Ni枝晶偏离凝固方向，其原因归结于Al3Ni晶体具有显着的磁晶各向异性，且[001]是其易磁化轴，结果在磁场作用下，[001]方向转向磁场方向。实验研究了纵向强磁场对Bi-Mn过共晶合金凝固组织的影响，发现纵向强磁场对MnBi初生相的取向和排列也有显着影响。施加纵向强磁场后，片状MnBi初生相会沿磁场方向发生取向，并且聚合形成链状组织。其原因可归结于MnBi相具有显着的磁晶各向异性，在磁化过程中受到磁力矩的作用发生旋转取向，并在晶体间的磁性相互作用力下沿着平行于磁场的方向形成链状结构。
晋芳伟[4]2007年在《梯度强磁场对铝硅过共晶合金凝固的影响》文中研究指明梯度强磁场对合金产生驱动力，在这一驱动力作用下合金凝固组织发生很大变化，如初生相晶粒迁移等，对此研究可为制备自生复合材料和功能梯度材料开辟新的途径，也为金属熔炼中去除夹杂物提供新的思路和方法。因此，深入研究磁场影响析出相粒子的迁移、细化和分布的规律具有重要意义。本文以工业常用的过共晶Al-Si合金为对象，开展了梯度强磁场下合金凝固规律的研究。本文第一部分实验研究了过共晶铝硅合金的初晶硅颗粒在梯度强磁场下的迁移行为，特别注意了分别考察磁场强度和磁场梯度的各自影响，在此基础上建立了相应的理论模型。研究结果表明，磁场梯度一定，磁场强度只有达到某一特定值时，初晶硅的迁移才会发生。随着磁场强度的增加，初晶硅发生迁移并形成偏聚层。但当磁场强度超过某一值后，磁场强度的进一步增大对初晶硅迁移的影响变小，表明磁场强度的影响趋于饱和。保持磁化力基本相同，磁场强度增大，迁移程度减小，表明静磁场对初生相的迁移有阻碍作用。磁场强度不变，随着磁场梯度的增大，初晶硅的偏聚量增加，晶粒尺寸变小。理论分析得到熔体的有效粘度与磁感应强度的关系：η′=η+kB_z~2，理论分析较好地解释了实验结果。论文第二部分对强梯度磁场下金属熔体中析出相晶粒迁移的动力学规律进行了理论研究。求解了上述模型的动力学方程，得到迁移速度的解析解和迁移距离的分析解，分别为：定义了晶粒的迁移率，并导出其表达式，即：上式说明，迁移距离和迁移率与磁场分布密切相关。凝固过程中淬火实验结果表明：晶粒半径大于等于40μm的初晶硅在120s内大部分完成迁移，与理论计算吻合。本文第叁部分实验研究了磁场强度和恒温时间对半熔态Al-18％Si合金中偏聚初晶硅晶粒尺寸的影响。结果表明：无磁场时初晶硅为粗大的板条状或五星状，施加梯度磁场时偏聚初晶硅呈弥散分布的等轴多边形，初晶硅显着细化。当磁化力维持不变时，偏聚初晶硅晶粒尺寸随磁场强度的增大而减小，晶粒数量密度随磁场强度的增加而增大。实验结果表明强磁场影响Si原子扩散。对磁场抑制扩散及初晶硅的受力进行了理论分析，分别导出了扩散系数以及晶粒受到的排斥力与磁场强度的关系为：较好地解释了实验结果。实验发现，偏聚层中硅颗粒分布均匀，其间距相近。建立了硅颗粒的分布的模型，得到了偏聚初晶硅晶粒间距与磁场的关系，即：结果与实验吻合。表明偏聚初晶硅晶粒间的磁排斥力与晶粒的磁化力具有相同的数量级，二者的相互作用导致了初晶硅的均匀分布。论文第四部分研究了强磁场对全熔态过共晶Al-Si合金中初晶硅及共晶组织的影响。结果表明，施加梯度磁场时，全熔态凝固的初晶硅发生不同程度的迁移，但没有形成偏聚层，原因是合金处于半固态的时间较短，初晶硅没有足够的时间进行迁移，和理论计算结果一致。无磁场时初晶硅沿试样周边析出，施加恒定磁场时，初晶硅基本上分布于整个试样截面，磁场强度为7T时，析出的初晶硅尺寸较小。对磁场影响初晶硅形核率进行理论分析表明，随着磁场强度的增加，初晶硅形核率有极值存在，可定性地解释实验结果。金相分析表明共晶组织层片间距随着磁场强度的增加而减小，原因是磁场抑制对流和扩散。用扫描电镜对共晶硅进行形貌观察，结果表明，无磁场时为粗短棒状，分布稀疏；施加5～12T恒定磁场时，共晶硅为细而长的棒状、分布密集，预示强磁场细化了共晶硅。测定铝硅合金在不同磁场条件下的凝固曲线，结果表明磁场对合金降温速度没有影响，表示实验中磁场对传热影响很小，可忽略。因此，初晶硅和共晶硅的细化不是降温速度方面的原因所产生的，进一步表明磁场导致扩散降低，从而使组织细化。凝固曲线的测定还表明，施加恒定强磁场和梯度强磁场时，共晶凝固点的温度均有不同程度的升高。原因是磁场影响形核率，使共晶硅析出量增大，改变了共晶凝固点的成分。本文最后还阐明了梯度磁场下初生硅颗粒生长的基本规律。在梯度磁场中，当硅颗粒因磁化力的作用聚集但不接触聚合时，在长大过程中迅速消耗周围硅溶质，因而难以长大；当硅颗粒不发生聚集时，因周围硅溶质供应充足，因而硅颗粒充分生长，形成粗大硅颗粒。
韩欢[5]2008年在《强磁场下Fe-Sn偏晶合金凝固行为研究》文中进行了进一步梳理偏晶合金具有许多优异的物理、化学特性,具有广泛的应用前景,而引起广大研究者的关注。但是由于大多数偏晶合金系组元间的密度和熔点相差很大,而且在较大的温度区间和成分范围内存在着两液相难混溶区,因此极易产生重力偏析,常规方法难以获得均匀的组织。近些年来,超导强磁场的迅速发展和应用,使磁场的应用范围从传统的以铁磁性材料为主扩大到整个材料领域,成为材料制备过程中的一个重要的新手段。通过控制优化磁场条件可以有效抑制偏晶合金的重力偏析,本文正是利用强磁场的这一特性来研究其对偏晶合金凝固行为的影响。本文采用12T超导强磁场和1200℃真空加热炉研究了强磁场对Fe-Sn二元偏晶合金凝固组织的影响。探讨了Fe-46%Sn和Fe-49%Sn两种合金在不同磁感应强度、不同工艺条件下的凝固组织变化规律及其对合金磁性能的影响,并从理论上进行了分析,得到以下结论：1.在无磁场条件下,Fe-Sn偏晶合金中富Fe相主要以枝晶、胞状晶为主,无规则地排列在基体中；而施加磁场后Fe-Sn合金中富Fe相沿磁场方向呈现一定取向排列。2.施加强磁场后Fe-46%Sn合金中富Fe相主要呈现竹节状,沿磁场方向排列；而Fe-49%Sn合金中富Fe相呈条状平行磁场方向排列。并且随着施加磁场强度的增加,合金中凝固组织的取向排列越加明显。3.X射线分析表明,强磁场下Fe-49%Sn合金在平行磁场截面的αFe(110)面衍射峰强度增强。理论分析表明,平行(110)面的[001]轴为αFe的优先生长轴,在磁场作用下αFe沿[001]轴向优先生长,促使富Fe相的取向排列。而Fe-46%Sn合金中,施加强磁场对平行磁场截面的αFe(110)面衍射峰强度的影响并不显着。4.在冷却速度较慢的情况下,更有利于Fe-Sn合金中富Fe相在生长初始阶段的旋转取向,促进富Fe相的取向排列。5.施加强磁场形成的Fe-Sn合金凝固组织的取向排列可以显着影响Fe-Sn合金的磁性能。对于Fe-49%Sn合金,饱和磁化强度Ms和剩余磁化强度Mr随着凝固时施加磁感应强度的增加而增加,随着凝固冷却速度的降低而增加,随着保温时间的增加而增加；矫顽力Hc随着凝固过程中施加磁感应强度的增加而增强,随着冷却速度的降低而减少,随着保温时间的增加而增强。而对于Fe-46%Sn合金来说,凝固时施加磁场对其磁性能的影响变化有波动,不像Fe-49%Sn合金那么明显。
郑天祥[6]2015年在《磁场作用下Zn-Bi难混溶合金凝固组织演变规律的研究》文中研究指明难混溶合金是一种具有广泛工业应用前景的合金,但由于其独特的凝固特性,在常规凝固条件下,极易形成严重的比重偏析,导致其优异的性能无法充分发挥。近年来,随着超导技术和Bitter磁体技术的发展,实现了10-30 T量级的恒定、长时的强磁场。研究表明,其极强的洛伦兹力、磁场力、磁场能量效应对金属的凝固过程有着深远的影响,如合金相取向、晶粒迁移、枝晶细化等,显示其与常规凝固截然不同的规律和机制,将超强磁场应用于难混溶合金的凝固,以期望解决其比重偏析严重的问题,至今研究尚不深入。因此,开展磁场下难混溶合金凝固研究的意义非常重大。本文以Zn-Bi难混溶合金为研究对象,对0-30 T磁场下的难混溶合金的凝固行为开展了深入研究,并尝试探索常规重力和常规冷却条件下均质难混溶合金的制备途径。获得如下研究成果:研究了0-30 T纵向强磁场对成分处于难混溶区内的Zn-Bi合金凝固过程中第二相液滴偏析行为的影响规律。发现施加强静磁场可以显着抑制第二相Bi液滴的Stokes沉降运动和Marangoni运动,但高达29 T的强静磁场仍无法完全消除Spinodal分解造成的成分偏析。强静磁场对Zn-Bi合金中Bi液滴的形核与长大过程影响显着:磁场大于17.4 T时,Bi液滴以纯扩散方式长大;小于17.4T时,则以碰撞、凝并方式长大。研究了0-30 T纵向强磁场下冷却速度对Zn-6wt.%Bi难混溶合金凝固组织形貌的影响规律。结果表明,淬火冷却的Zn-6wt.%Bi难混溶合金的表层等轴晶中形成了一种链状组织;随炉冷却则形成了一种Bi包围Zn相的壳型凝固组织,并基于热电磁流理论探讨了壳型组织的形成机制。研究了横/纵向磁场诱导的热电磁力对合金凝固组织中第二相分布的影响规律。结果表明,1 T量级的横/纵向磁场在熔体中产生了显着的热电磁力,并形成了宏观的热电磁流动,显着改变了Bi液滴在空间的分布规律。针对采用29 T强静磁场和淬火冷却条件仍无法抑制具有强烈液液分离倾向的难混溶合金的Stokes沉降和Marangoni凝并导致的宏观偏析问题,提出了强磁场复合交变电流调控难混溶合金凝固组织的新方法。结果表明,当磁感应强度为10 T、电磁体积力为5×105 N/m~3、交变电流频率为50 Hz时,Zn-10wt.%Bi和Zn-20wt.%Bi合金凝固组织中Bi颗粒的粒径最小且最弥散,获得了几乎均匀的凝固组织。过低或过高的交变电流频率都会显着促进Bi液滴的碰撞和凝并,加重合金的偏析。由于在研究强静磁场对成分处于非难混溶区内的合金凝固影响的过程中发现,纵向强磁场对Zn-84~97.3wt.%Bi合金凝固组织的取向具有显着的影响,对比研究了磁场下Zn-95wt.%Bi合金和具有偏晶特性的Bi-Mn合金组织中析出相的取向机制。发现Zn-95wt.%Bi合金在0 T和6 T条件下其凝固组织显示出共同的磁各向同性,6 T条件下的凝固组织在平行于磁场方向上表现出最小的抗磁化强度特征;在2 T和4 T条件下则显示出共同的磁各向异性。在30 T和60℃/min的冷却条件下,Bi-Mn合金凝固组织中的α-BiMn的取向与磁场方向平行;在30 T和5℃/min的冷却速度时,则是一种呈多层分布的组织。本文对磁场作用下不同成分的Zn-Bi难混溶合金凝固过程的系统研究,丰富了磁场下难混溶合金的凝固理论,对均质的难混溶合金的制备具有重要的学术指导价值和工程意义。
李贵茂[7]2011年在《磁场作用下Cu-Ag合金凝固组织与原位形变组织和性能的研究》文中研究说明高强高导Cu-Ag合金具有优良的力学性能和导电性能。近年来,随着现代科技的发展,对高强高导Cu基合金的性能提出了更高的要求。本论文在国家高新技术研究发展计划项目(863计划)(N0.2007AA03Z519)资助下,针对Cu-Ag合金凝固组织粗大,分布不均匀等问题,开展了水平磁场、强磁场和电磁搅拌作用下Cu-Ag合金显微组织及性能的研究。利用水平磁场、强磁场和电磁搅拌控制Cu-Ag合金的凝固过程,改善Cu-Ag合金凝固组织,获得性能良好的铸态合金；对性能较优的Cu-Ag母合金进行冷拉拔处理,研究合金组织与性能的变化规律,探索磁场处理进一步改善Cu-Ag合金性能的途径。研究了水平磁场对不同温度梯度方向Cu-10%Ag合金凝固组织的影响,发现温度梯度方向与磁场强度方向垂直时,水平磁场对初生Cu枝晶和共晶组织具有细化作用。研究了水平磁场对竖直方向Cu-10%Ag合金定向凝固组织的影响表明,水平磁场对Cu-10%Ag枝晶和共晶组织细化作用明显,分析认为,磁场作用产生的热电磁对流作用影响了Cu枝晶的形核过冷度和形核率。另外,利用XRD研究了水平磁场下Cu枝晶的取向,结果表明水平磁场诱使Cu枝晶的<111>峰增强。研究了强磁场对Cu-Ag合金凝固组织及合金硬度的影响,发现强磁场使初生Cu枝晶细化,共晶组织粗化,Cu枝晶内的Ag含量增加。分析认为强磁场对Cu枝晶的形核率、成分过冷及溶质扩散有一定的影响。合金硬度结果表明,磁场下合金的硬度会降低。研究了电磁搅拌对Cu-Ag合金凝固组织及性能的影响,发现随着Ag成分的升高,Cu-Ag合金的晶粒细化,并且电磁搅拌使初生Cu枝晶变短、粗化,共晶组织粗化,Cu枝晶内的Ag含量降低。分析认为电磁搅拌对Cu枝晶形核和断裂以及溶质横向扩散有重要影响。测试了合金硬度,表明随着Ag成分增加合金硬度增加,并且电磁搅拌使合金横截面的硬度降低,纵截面的硬度升高。研究了不同搅拌参数对Cu-6%Ag合金凝固组织的影响,发现随着搅拌电流和频率的增加,合金的晶粒逐渐细化,初生Cu枝晶分别转变成细长等轴晶,粗大花瓣状等轴晶和胞晶或球状晶,同时共晶组织体积形貌也随之也发生了改变。测试了合金的硬度,表明初生Cu枝晶为细长的等轴晶时,合金的硬度较高；初生Cu枝晶为花瓣状等轴晶时,合金的硬度下降；初生Cu枝晶变成球状晶时,合金的硬度又升高。测试了合金的导电率,表明初生Cu枝晶为细长等轴晶,合金导电率下降；初生Cu枝晶为粗大花瓣等轴晶时,合金的导电率升高；Cu枝晶为球状晶时,合金导电率也升高。研究了拉拔变形对有无强磁场处理的Cu-Ag合金组织的影响,发现拉拔过程中Cu-Ag合金的纵截面由网状组织转变成纤维组织,共晶纤维尺寸和间距随拉拔应变增加不断减小,并且强磁场Cu-Ag线材的共晶纤维直径明显较粗大,同时,Ag析出相纤维直径也较粗大,分布稀疏。研究了拉拔变形对电磁搅拌下凝固的Cu-Ag合金组织的影响,发现电磁搅拌试样的纤维厚度增加,纤维间距增大。通过XRD研究了电磁搅拌对Cu枝晶取向的影响,发现电磁搅拌下枝晶生长杂乱,拉拔变形使Cu枝晶的<111>取向增强。研究了拉拔变形对强磁场合金线材力学性能的影响,发现拉拔应变增加使合金的极限抗拉强度增加,塑性下降；随着合金中Ag含量的增加,合金强度不断增加,且塑性也不断增加；研究了拉拔应变对强磁场合金线导电率的影响,发现随着拉拔应变增加,合金的导电率下降,并且随着Ag含量增加,线材的导电率不断下降。导电率研究表明,小变形量下,强磁场Cu-Ag合金线的导电率均较无磁场试样下降；在η>5.6时,Cu-25%Ag合金导电率较无磁场试样升高。研究了拉拔变形对电磁搅拌合金线材力学性能的影响,发现高Ag成分的Cu-25%Ag合金性能较优。与无搅拌试样相比,拉拔应变η<3.9时,Cu-25%Ag合金线极限抗拉强度降低,在拉拔应变η>3.9时,合金线强度较无搅拌试样增大；导电率结果表明,与无搅拌试样相比,拉拔应变η<1.9时,Cu-25%Ag合金线的导电率升高,在η>1.9时,合金的导电率较无搅拌试样降低。讨论了Cu-Ag合金的强化和导电机制,发现初生Cu枝晶内Ag的固溶和Ag析出相以及Cu晶粒大小是引起合金强度差别的主要原因。讨论了电阻率的影响因素,发现拉拔应变较小时,Ag的固溶和Ag析出相是影响合金电阻率的主要因素,拉拔应变较大时,相界面密度和纤维尺寸是影响合金电阻率的主要因素。
张建锋[8]2014年在《外场致金属熔体结构变化的电性表征研究》文中提出外加物理场是调控金属凝固组织的重要手段,大量研究表明超声场和电磁场可以显着细化金属凝固组织,改善金属材料的变形性能和使用性能。外场影响凝固组织的机理之一是外场改变了金属熔体的微观结构,从而影响其凝固形核行为。然而,有关外场影响金属熔体结构的微观机制尚不清楚。因而,深入研究外场对金属熔体结构的影响对理解外场作用下凝固本质至关重要。由于金属熔体大多处于高温状态,对其微观结构进行直接观察与检测十分困难。电阻和热电势作为结构敏感的物理量,是表征金属熔体微观结构变化的重要参数。因此,本文通过对外加物理场(超声场或电磁场)作用下,金属熔体电阻和热电势变化规律的研究,结合凝固组织观察,探索外加物理场对熔体微观结构的影响规律。并从金属电子输运理论和熔体团簇理论解释了其影响机理,为实现外场对凝固组织的精细调控奠定理论基础和实验数据。本文主要研究内容是,设计可连续实时同步检测外场作用下金属熔体电阻和热电势变化的装置；以Pb-Sn合金为对象,研究了超声场和交流磁场对金属熔体电阻和凝固组织的影响规律,探索超声场-电阻-熔体结构-凝固组织之间的关系；在此基础上,以纯Al和Al-X (X=Fe、Cu、Ni、Si)合金为对象,研究了直流磁场对金属熔体电阻和热电势的影响规律,探索了Fe元素含量及合金组元对磁致熔体电阻和热电势变化的影响规律。本文采用改进双向电流四电极法,设计制造了可连续实时同步测量外场致金属熔体电阻和热电势变化的检测装置,并首次实现了超声场或各种电磁场作用下金属熔体电阻和热电势的精确检测。提出了一套外场致熔体结构变化的电阻和热电势表征方法,其中,电阻持久性变化量△r和电势差持久性变化量△u3表征外场致金属熔体结构持久性变化程度；有效时间△t是反映外场导致熔体结构变化稳定性的重要参数。以此方法系统研究并揭示了超声场和各种电磁场对金属熔体结构的影响规律,并通过直流磁场对金属熔体影响的研究发现热电势是比电阻更敏感的熔体结构表征物理量。以Pb-Sn合金为对象,研究了超声参数对金属熔体电阻的影响规律,结果表明,电阻瞬态变化量△R随着超声功率的增加和处理温度的升高而增大,但与超声处理时间无关；△r随着超声功率的增加和处理温度的升高而增大,随着超声处理时间的延长逐渐增大到某一饱和值后保持不变；△t随着超声功率的增加而增大,随着处理温度和处理时间的增加先增大而后减小,存在一个最佳处理温度和最佳处理时间。对于不同Sn含量的Pb-Sn合金,Sn含量越高,超声作用越显着。通过超声场或交流磁场作用下金属熔体电阻的检测及其凝固组织的观察,发现|△r|与凝固组织间存在对应关系,超声场或交流磁场处理金属熔体使其凝固组织细化和均匀化程度随着|△r|的增大而增大。初步揭示了外场-电阻特性-熔体结构-凝固组织间的关系。超声场使熔体电阻减小,而交流磁场使熔体电阻增加,但均导致Pb-80%Sn合金的凝固组织细化,其原因是超声场改变了熔体原子团簇的尺寸和空间分布的均匀性,使体系无序程度减小,从而使体系电阻减小；而交流磁场不仅改变了熔体的原子团簇大小和分布,同时还改变其键合类型,提高Pb-Sn原子团簇的含量,增加体系的成分无序程度,从而使体系电阻增大。对纯Al和Al-X合金熔体的研究表明,直流磁场加载过程中,电阻立刻增大并保持不变,关闭磁场后,电阻快速恢复到初始值。这种磁阻效应与磁场的加载时间长短无关,与体系无序程度密切相关。温度越高,体系无序程度越大,这种磁阻效应越显着。直流磁场能改变纯Al和Al合金熔体的热电势,磁场加载过程中电势差经历快速变化和缓慢变化过程,关闭磁场后电势差又经历剧烈恢复、缓慢恢复和平稳叁个阶段。对纯Al,亚共晶和近共晶Al-Fe合金,Al-2.44%Cu及Al-15.5%Si等合金熔体,在液相线附近较低温度施加直流磁场,电势差U减小(热电势S增大)；在远离液相线的较高温度施加直流磁场,电势差U增大。对过共晶Al-2.89%Fe合金和Al-7.37%Ni熔体在本实验的温度范围内,施加直流磁场,电势差U都减小,这可能与两种合金含有较高的过渡族元素有关。实验发现,|△U|、|△u3|和△t随温度的变化趋势与溶质元素种类无关,即|△U|随着温度的升高而逐渐增大,|△u3|和△t随着温度的升高先增大后减小,两个极值点对应的温度相近,但极值点位置因溶质元素种类不同而有所差别。Al-Fe合金极值点在液相线附近,Al-Cu和Al-Si合金极值点在液相线上30℃左右,Al-Ni合金对应的极值点在液相线上50℃左右。对于Al-2.89%Fe合金而言,随着直流磁场处理时间的延长,|△U|逐渐增大后达到一个饱和值,而|△u3|和△t均逐渐增大。随着磁感应强度的增大,|△U|、|△u3|和△t均逐渐增大。对金属熔体施加直流磁场,熔体中产生两种磁效应：量子磁效应和经典磁效应。其中量子磁效应改变了熔体中扩展态电子数密度及其分布,量子磁效应与温度无关；经典磁效应只改变扩展态电子分布,不改变其数密度,温度越高经典磁效应越强烈。这两种磁效应的综合作用是造成以上金属熔体电性能变化的根本原因。
屈磊[9]2013年在《磁场作用下Cu-Fe复合导线的组织调控及性能研究》文中研究说明高强高导铜合金具有优良的综合物理性能和力学性能,是现代电子信息、电力、能源、机械等产业发展的关键功能材料。在高强高导铜合金中,Cu-Fe复合材料以其优异的性能和低廉的成本,受到研究者的广泛关注。本论文在国家高技术研究发展计划项目(863计划,No.2007AA03Z519)、东北大学基本科研业务费项目(No.100609004)和博士学位论文资助课题的资助下,针对控制凝固组织和热处理这两种有效调控Cu-Fe复合材料综合性能的方法,分别施加电磁搅拌和强磁场这两种外加磁场,来研究电磁搅拌对Cu-Fe合金凝固组织及其形变后显微组织和性能的影响。又研究了强磁场退火热处理对Cu-Fe复合导线显微组织和性能的影响。并从Cu-Fe复合导线复杂的相变中选取α-Fe颗粒相生长和析出过程,深入研究了强磁场对这两种基本固态相变的影响规律。电磁搅拌对Cu-Fe合金凝固组织影响的研究表明,Fe元素本身对Cu合金具有很好的细化晶粒作用,且此细化作用与Fe元素的含量有关。电磁搅拌可以进一步细化低Fe成分的Cu-Fe合金晶粒,对高Fe成分Cu-Fe合金晶粒的细化作用有限。电磁搅拌可以有效破碎Fe枝晶,细化Fe枝晶臂的尺寸和间距。但是,当搅拌电流超过100A时,剧烈的搅拌强度造成大量的Fe偏聚在铸锭表面,因此合理的电磁搅拌电流为100A。根据显微组织的遗传性,电磁搅拌可以通过细化Cu-Fe合金的凝固组织,来间接细化形变后Cu-Fe合金或复合材料的显微组织。实验结果表明,电磁搅拌作用下制备的Cu-2%Fe合金在形变过程中保持着较小的晶粒尺寸；电磁搅拌制备的Cu-6%Fe(原配比8%Fe)合金在形变后,复合材料的纤维间距、厚度和宽度也得到细化。随着Fe含量的增加,Fe纤维的数量随之增加,间距减小。电磁搅拌制备的形变Cu-2%Fe合金和Cu-6%Fe复合导线具有更高的强度。随着Fe含量的增加,复合导线的强度也随之显着增加。电磁搅拌对形变Cu-Fe合金或复合材料的导电率的影响不显着。在合适的电磁搅拌强度下,可以制备出高质量的Cu-Fe合金,并显着提高形变后Cu-Fe合金或复合导线的综合性能。强磁场退火处理研究表明,Cu-12.8%Fe复合导线在450℃强磁场退火时,随着时间的延长Fe纤维的间距和形貌没有显着的变化,强磁场对Fe纤维间距、形貌和Fe固溶度的影响不显着。在700℃强磁场退火时,随着退火时间的延长Fe纤维出现严重的热失稳,施加强磁场可增大Fe纤维的间距、加速纤维的热失稳过程、促进Fe颗粒的重溶。在450℃退火时,Cu-12.8%Fe复合导线的导电率逐渐增加,抗拉强度则随着退火时间逐渐降低；强磁场对450℃退火时的导电率和强度的影响不显着。在450℃这一较佳温度下进行热处理时,强磁场对Cu-Fe复合导线的显微组织、力学性能和导电率的影响不显着。在700℃退火时,复合导线的导电率和强度都随着退火时间增加而逐渐降低,施加强磁场降低了复合导线的导电率和强度。Fe纤维的热失稳研究表明,对于大形变量的Fe纤维,由于其在横截面上具有很大的宽厚比w/t和较大的晶界能和界面能的比值γB/γs,纵向晶界开裂是最主要的热失稳方式。纵向晶界开裂使带状的Fe纤维逐步转变成一系列圆柱状的Fe纤维。随后,圆柱状Fe纤维将同时进行断裂、生长和粗化等热失稳过程。圆柱状Fe纤维断裂的时间可以用Rayleigh扰动来拟合。受生长过程的影响,700℃退火时,圆柱状Fe纤维半径的长大速率明显大于Ostwald熟化理论的计算值。Cu-Fe复合材料导电机制的研究表明,在假设声子和位错散射对Cu基体电阻率的贡献为定值的前提下,杂质散射电阻率ρimp为Cu-Fe复合材料主要的影响因素。退火温度低于500℃时,纤维间距的增加和单位体积内相界面的减少导致电阻率的缓慢降低。温度高于500℃时,Cu基体内Fe固溶度的快速增加直接导致复合材料电阻率的上升。强磁场作用下α-Fe颗粒生长过程的研究表明,α-Fe颗粒相和Cu基体的取向关系为典型的K-S关系,即(111)f/(101)b,[101]f//[111]b,[121]f//[121]b。α-Fe颗粒生长后呈板条状,其生长方向与密排方向[101]f//[111]b的夹角在8～9°间,并可以用不变线应变模型来计算。强磁场不改变α-Fe与Cu基体的取向关系、惯习面和生长方向等晶体学特征。当强磁场的方向近似平行于α-Fe颗粒的长轴方向(或生长方向)时,可以促进α-Fe颗粒的生长；当磁场方向近似垂直于生长方向时,对其生长没有影响。强磁场作用下过饱和Cu-2%Fe合金时效过程的研究表明,450℃时效处理后,Fe元素以极其细小的共格γ-Fe颗粒形式析出,此时强磁场对γ-Fe颗粒的尺寸没有明显的影响。在700℃时效处理后,析出相为较大尺寸的共格γ-Fe颗粒,并随着颗粒的生长,从其界面处释放出来大量的错配位错,此时强磁场可以显着增加时效后析出相的尺寸。强磁场对450℃时效后Fe元素的固溶度和导电率的影响不显着,但在700℃时效后强磁场促进了Fe元素的析出,进而减低了Fe元素的固溶度、增加导电率。
左小伟[10]2009年在《强磁场作用下Fe-Sn和Cu-Fe合金凝固组织及性能的研究》文中提出近年来,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、空冷和淬水叁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着增加,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。
参考文献：
[1]. 强磁场对Al-5％Mn合金析出相凝固行为的影响[D]. 窦永香. 大连理工大学. 2008
[2]. 强磁场对合金中析出相凝固行为的影响[D]. 王晖. 上海大学. 2002
[3]. 强静磁场对过共晶合金定向凝固组织影响的研究[D]. 王科峰. 上海大学. 2014
[4]. 梯度强磁场对铝硅过共晶合金凝固的影响[D]. 晋芳伟. 上海大学. 2007
[5]. 强磁场下Fe-Sn偏晶合金凝固行为研究[D]. 韩欢. 东北大学. 2008
[6]. 磁场作用下Zn-Bi难混溶合金凝固组织演变规律的研究[D]. 郑天祥. 上海大学. 2015
[7]. 磁场作用下Cu-Ag合金凝固组织与原位形变组织和性能的研究[D]. 李贵茂. 东北大学. 2011
[8]. 外场致金属熔体结构变化的电性表征研究[D]. 张建锋. 东北大学. 2014
[9]. 磁场作用下Cu-Fe复合导线的组织调控及性能研究[D]. 屈磊. 东北大学. 2013
[10]. 强磁场作用下Fe-Sn和Cu-Fe合金凝固组织及性能的研究[D]. 左小伟. 东北大学. 2009
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