強靜磁場作用下二元共晶形態演化及生長機制的研究

中文摘要

共晶是最常見的合金凝固組織和製備自生複合材料體系。本項目擬以強靜磁場為研究手段，共晶生長為研究對象，通過考察強靜磁場作用下二元共晶在凝固過程中形態和晶體學特徵演化規律，探索強靜磁場下二元共晶的生長機制和誘生金屬基複合材料的新方法。擬以典型片狀Al-Al2Cu、Pb-Sn和纖維狀Al-Al3Ni、Bi-MnBi共晶為例，考察在定向凝固過程中磁場矢量和溫度梯度矢量對共晶生長方向、兩相配位關係、共晶間距和形貌穩定性的影響規律；著重探明強靜磁場下共晶取向形成機制和固相所受熱電磁力和磁化力對共晶形貌穩定性的影響規律，創建應力作用下片狀共晶穩定性理論，發展和豐富共晶理論。以不規則Fe-C和Al-Si纖維狀共晶為例，研究強靜磁場下共晶中纖維相取向和不規則共晶纖維向規則纖維轉變的規律，探明在強靜磁場下共晶纖維的取向規律和機理，提出基於強靜磁場取向共晶纖維製備金屬基纖維增強複合材料的新技術。

結題摘要

研究了穩恆強磁場對定向凝固Al-Al2Cu和Al-Al3Ni共晶顯微組織的影響。在Al-Al2Cu和Al-Al3Ni共晶的生長中，發現強磁場減小片狀和纖維狀共晶間距，導致帶狀組織的形成；並可以引發片狀共晶的退化。在拉速R=1μm/s的條件下，選取無磁場與10T強磁場下定向凝固樣品，運用X射線衍射（XRD）和透射電子顯微鏡（TEM）與高分辨電子顯微技術（HREM）研究了無磁場與強磁場下Al-Al2Cu共晶橫縱截面的取向和顯微結構及層片間的位向關係，利用極圖解析了強磁場對Al-Al2Cu取向及位向關係的影響，從而提出了磁場對該共晶合金生長影響機理。施加磁場前後Al-Al2Cu共晶的金相組織明顯不同。無磁場時，Al-Al2Cu共晶組織為典型的共晶層片狀；隨著磁場強度的增加，Al-Al2Cu定向凝固共晶橫截面組織趨於扭曲、紊亂、分叉。特別當磁場強度大於6T後，共晶層片的扭曲分叉變得更為明顯。10T強磁場下，Al-Al2Cu共晶層片均勻地以網狀分布。對於Al-Al2Cu定向凝固共晶縱截面，隨著磁場強度的增加，縱截面共晶組織仍沿熱流反方向生長，但組織明顯變細。 TEM結果顯示，無磁場時定向凝固Al-Al2Cu共晶組織無取向，而施加10T強磁場後，Al2Cu共晶組織取向，<001>Al2Cu與<001>Al轉到與磁場方向一致。無磁場時Al2Cu晶粒和Al基體之間有位向關係為“{ }Al2Cu//{ }Al，<111>Al2Cu與<211>Al之間相差大約5º”。施加磁場後，Al2Cu晶粒和Al基體間的位相關係為“{310}Al2Cu//{020}Al，<001>Al2Cu與<001>Al 之間相差大約7º” 。雖然由於不同晶粒的Al-Al2Cu位向關係本身就存在10°左右差異，因此施加磁場前後所觀察到Al-Al2Cu的相對位向關係近似等價，但是施加強磁場後位向關係從傾向於“{ }Al2Cu//{ }Al，<111>Al2Cu//<211>Al”轉為傾向於“{310}Al2Cu//{020}Al，<001>Al2Cu//<001>Al”。此外強磁場作用生長下的共晶記憶體在大量位錯，經分析為1/2<110>類型。在以上實驗結果的基礎上，提出了在磁場下共晶生長過程中擴散邊界層磁化和溶質富積模型，認為由於在固液界面處溶質富積，因而改變磁化率，從而導致磁力線發生彎曲，產生橫向磁場梯度，

強靜磁場作用下二元共晶形態演化及生長機制的研究

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