Fe_50Cu_50合金熔体相分离过程的分子动力学模拟

基于镶嵌原子势,采用分子动力学模拟的方法探讨了Fe50Cu50合金熔体在1823 K下液-液相分离过程.结果发现:熔体中同类原子配位数随弛豫时间的延长逐渐增大,而异类原子配位数逐渐减少;由BhatiaThornton结构因子SCC(q)获得的相关长度随时间的变化也呈现出明显的递增趋势,表明该合金熔体在该温度下发生了液—液相分离.原子轨迹的可视化显示结果发现,相分离的初期,体系呈明显的网络状组织,随时间的延长,异类原子逐渐分离,最终形成富Fe和富Cu的相分离组织,符合调幅分解特征.与Fe75Cu25合金熔体的相分离过程对比发现,Fe与Cu原子数目相差越小,相分离行为越剧烈,形成稳定分层结构所需的时间越短.以上研究从原子尺度上表征了金属熔体的相分离过程.     

深过冷条件下Co_7Mo_6金属间化合物的枝晶生长和维氏硬度研究

采用电磁悬浮和自由落体两种实验技术对二元Co-50%Mo过共晶合金中初生Co_7Mo_6金属间化合物的生长机理和维氏硬度进行了系统研究.电磁悬浮实验中,合金熔体获得的最大过冷度为203 K(0.12T_L),初生Co_7Mo_6枝晶生长速度与过冷度之间呈现幂函数关系.随着过冷度的增大,初生枝晶中Co元素含量单调递增,枝晶尺寸明显减小,并且其维氏硬度逐渐升高.在自由落体状态下,随着液滴直径的减小,合金熔体的过冷度和冷却速率均增大.当液滴直径减小到392μm以下时,初生Co_7Mo_6枝晶从小平面向非小平面形态进行转变.实验发现,深过冷条件下Co_7Mo_6化合物发生了显著的溶质截留效应,其维氏硬度与Co元素分布和形貌特征密切相关.     

三元等原子比Fe_(33.3)Cu_(33.3)Sn_(33.3)合金的快速凝固机理与室温组织磁性研究

采用自由落体和熔体急冷两种实验技术实现了三元等原子比Fe_(33.3)Cn_(33.3)Sn_(33.3)合金的快速凝固,研究了其组织形成机理和室温磁性特征.实验发现,合金熔体在不同快速凝固条件下都没有发生液相分离,其室温组织均由初生αFe相枝晶以及CU_3SU和CU_6Sn_5二个包晶相组成计算表明,落管中合金液滴的表面冷却速率和过冷度分别达1.3×10~5 K·s~(-1)和283 K(0.19 T_L)当表面冷却速率增大至3.3×10~3 K·s~(-1),初生αFe相发生由粗大枝晶向碎断枝晶的演化.急冷快速凝固过程中,初生αFe相凝固组织沿辊面向自由面方向形成细晶区和粗晶区,其中细晶区以粒状晶为特征而粗晶区存在具有二次分枝的树枝晶随着表面冷却速率由8.9×10~6增大至2.7×10~7 K·s~(-1),αFe相平均晶粒尺寸显著减小,合金条带的矫顽力增大一倍多.     

快速凝固Co-Cu包晶合金的电学性能

研究了Co-Cu包晶合金快速凝固过程中的相选择和组织形成特征, 探索了冷却速率、组织结构和晶体位向与合金电阻率之间的相关规律.实验发现, 快速凝固可使Co在(Cu)中的固溶度扩展至20%.Cu含量大于80%时, L+αCo→(Cu)包晶转变被抑制, (Cu)可从过冷熔体中直接形核析出.Cu含量在40%—70%范围时, Co-Cu合金的液相分离受到抑制, 凝固组织沿条带厚度方向分为两个晶区.细晶区中αCo和(Cu)相竞争形核并生长, αCo枝晶形态细密，细小的（Cu）等轴晶均匀分布于αCo的基体之中.粗晶区αCo相为领先相, 富Cu相分布于αCo枝晶的晶界处.随着冷速的增大, 合金组织显著细化, 晶界增多,对自由电子的散射作用增强, 合金电阻率显著增大.当晶界散射系数r＝0996—0999时, 可采用M-S模型综合分析快速凝固Co-Cu合金的电阻率. 关键词： 电阻率 快速凝固 相结构 晶体生长     

急冷条件下Cu-Pb偏晶合金的相分离研究

研究了Cu-Pb偏晶合金的急冷快速凝固和组织形成规律，并通过将金属熔体的热传导方程和Navier-Stokes方程相耦合, 理论分析了合金熔体的冷却速率、液固相变时间等物理参量与液相分离之间的相关性. 研究结果表明，在急冷快速凝固条件下，熔体的快速冷却对偏晶合金组织形成的影响要比熔体内部液相流动的影响更为显著. 快速凝固使液相分离受到抑制，Cu-Pb偏晶合金均可获得均匀的微观组织结构. 随着冷速的增大，晶粒尺寸明显减小，凝固组织显著细化，晶体形态由粗大枝晶向均匀细小的等轴晶过渡. 提高冷却速率，缩短液固相变时间是重力场中抑制液相分离、获得均匀偏晶组织结构的重要条件. 关键词： 偏晶合金 快速凝固 液相分离 微观结构     

Ni-Mn杂化对Mn_(50)Ni_(41-x)Sn_9Cu_x合金中马氏体相变温度和马氏体相磁性的影响

研究了Ni-Mn杂化对Mn_(50)Ni_(41-x)Sn_9Cu_x合金马氏体相变温度和马氏体相磁性的影响.研究表明:在Mn_(50)Ni_(41-x)Sn_9Cu_x(x=0,1,3,5)合金中,随着Cu含量增加,马氏体相变温度和居里温度均降低;自发交换偏置场也随着Cu含量的增加从1182 Oe(1 Oe=79.5775 A/m)降低到0 Oe.马氏体相变温度和马氏体相磁性的变化归因于掺杂Cu削弱了体系中Ni 3d eg与Mn 3d之间的杂化.     

分离结晶过程中熔体热毛细对流的转变

为了了解微重力条件下新型分离结晶生长过程中熔体热毛细对流的基本特征,利用有限差分法进行了数值模拟,熔体深径比A取1和2,自由界面无因次宽度B分别取0.05、0.075和0.1.当熔体上表面为自由表面时,得到了分离结晶Bridgman生长过程中熔体热毛细对流的流函数和温度分布.计算结果表明:当Ma数较小时,在上下两个自由表面的表面张力的驱动下,熔体内部产生了两个流动方向相反的流胞,流动为稳态流动,随着Ma数的增加,上下自由表面速度增大,温度分布的非线性增加;当Ma数超过某一临界值后,流动将转化为非稳态流动;与熔体上表面为固壁时相比,A=1时的临界Ma数减小,而A=2时的临界Ma数增大;流动失稳的物理机制是流速的变化和阻力的变化之间存在滞后.     

液态五元Ni-Zr-Ti-Al-Cu合金快速凝固过程的高速摄影研究

采用电磁悬浮和自由落体两种无容器熔凝技术,并借助高速摄影实时分析方法,研究了液态五元Ni_(40)Zr_(28.5)Ti_(16.5)Al_(10)Cu_5合金的深过冷能力和快速凝固机制.在电磁悬浮条件下,液态合金的过冷度可达290 K(0.21T_L).当深过冷熔体快速凝固时,高速摄影观察发现悬浮液滴表面呈现点状和环状两种区域形核方式.合金的快速凝固组织由初生Ni_3Ti相、次生Ni_(10)Zr_7相和(Ni_(10)Zr_7+Ni_(21)Zr_8)共晶组成.初生Ni3Ti相以枝晶方式生长,枝晶生长速度随熔体过冷度的增大以幂函数关系单调递增,最高可达12 mm/s,同时其体积分数逐渐减小至13.4%,并发生显著组织细化.在自由落体条件下,尽管合金液滴凝固组织的相组成并未发生变化,但随着过冷度的增大,初生Ni_3Ti相的生长被抑制,凝固组织由晶态向非晶态转变,且非晶相的体积分数线性增大.当直径小于275μm时,合金液滴实现了完全非晶态凝固.     

金属熔体近壁面流动剪切模型及其对金属凝固影响的理论研究

本文建立了金属熔体近壁面流动剪切模型, 并分析了流动剪切对金属凝固的影响. 针对A356合金计算结果表明:层流流动的熔体内部剪应力随垂直斜板表面距离的增大而减小, 随着流动长度的增加先急剧下降之后趋于稳定; 紊流流动的熔体所受的剪应力随着垂直倾斜板表面距离的增大先急剧下降之后趋于稳定, 随着流动长度的增加而不断增大; 斜板倾角越大, 斜板上相同位置的熔体层受到的剪应力越大; 熔体垂直斜板表面距离越小, 柱状晶所承受的弯曲应力越大; 斜角越大, 斜板上相同位置的柱状晶的弯曲应力越大; 随着熔体在倾斜板表面流动长度的增加, 在层流阶段, 倾斜板表面柱状晶根部所受的弯曲应力先急剧下降之后趋于平稳, 而在紊流阶段, 弯曲应力是缓慢增加的; 理论分析表明柱状晶在熔体近壁面流动过程受到的最大弯曲应力低于αup -Al晶粒的屈服强度, 所以斜板上熔体流动产生的弯曲力不能将柱状晶折断, 只能将晶粒冲刷游离到熔体中使晶粒增殖, 与实验结果相符合. 所以本模型可以很好地解释熔体近壁面流动过程中的剪切本构关系以及剪应力对凝固组织的影响.     

相场法研究Fe-Cu-Mn-Al合金富Cu相析出机制

基于Ginzburg-Landau理论采用连续相场法模拟了Fe-15%Cu-3%Mn-x Al(质量分数x=1%, 3%, 5%)合金在873 K等温时效时纳米富Cu析出相沉淀机制及Al含量对富Cu相析出的阻碍效应.通过计算成分场变量和结构序参数,研究了富Cu析出相的形貌、颗粒密度、平均颗粒半径、生长和粗化动力学.研究结果表明:在时效早期阶段,纳米富Cu相通过失稳分解机制析出,由于原子扩散速率存在差异,从而形成以富Cu相为核心的核壳结构.随着时效时间延长,富Cu相析出物结构由体心立方转变为面心立方.其中Al和Mn原子在富Cu核外偏析形成Al/Mn簇,可以将其视为阻碍富Cu析出相形成的缓冲层;在沉淀过程中,随着Al含量的增大, Al/Mn金属间相促进了缓冲层的生长,阻碍富Cu析出相的生长和粗化.     

液态Ti-Al合金的深过冷与快速枝晶生长

采用电磁悬浮和自由落体两种试验技术研究了液态Ti-25 wt.%Al合金的亚稳过冷能力、晶体形核机制和枝晶生长过程. 试验发现, 即使电磁悬浮无容器状态下仍难以消除润湿角θ ≥60°的异质晶核, 合金熔体过冷度可达210 K (0.11T_L). β-Ti相形核的热力学驱动力随过冷度近似以线性方式增大, 其枝晶生长速度高达11.2 m/s, 从而在慢速冷却条件下实现了快速凝固. 理论计算表明, 随着过冷度的逐步增大, β相枝晶生长从溶质扩散控制转变为热扩散控制. 当过冷度超过100 K时, 非平衡溶质截留效应可使合金熔体发生无偏析凝固. 然而, 单靠深过冷状态不足以抑制β相的后续固态相变. 对于落管中快速凝固的直径77-1048 μm合金液滴, 其冷却速率最高达1.05×10⁵ K/s, 深过冷与快速冷却的耦合作用能更有效地调控凝固组织形成过程.     

Growth kinetics and precipitation phenomena in undercooled Nd–Fe–B melts with Ti and C additions

The microstructure and the solidification kinetics of stoichiometric Nd–Fe–B alloy with Ti and C additions were investigated using the electromagnetic levitation technique. In situ temperature–time characteristics were carried out. A strong reduction of the growth velocity of the Nd₂Fe₁₄B phase was observed in the Nd–Fe–B–Ti–C alloy compared to the addition-less Nd–Fe–B alloy. The undercoolability of the melt depends on the alloy composition. Moreover, at high TiC contents, the maximum undercooling level is strongly reduced turning to low cooling rates. The TiC solution and its formation were studied in overheated and undercooled samples, respectively after subsequent quenching. The cooling rate prior to solidification influences drastically the morphology of the TiC precipitates which affects strongly the nucleation of the properitectic γ-Fe phase in the undercooled stage.     

Undercooling and Unidirectional Solidification of CuNi Alloy Melts

Cylinder-shaped CusoNi20 alloy melt is undercooled and solidified by the combination of the electromagnetic levitation technique and the flux treatment method. Nearly constant temperature gradient of 8-10 K/cm is realized for the cylindrical melts with differen~ undercooling levels at the bottom ends. The experimental results reveal that with the increase of the undercoo]ing of the melts from 35 to 220 K, the microstructures undergo transition from coarse dendrites to granular grains, unidirectional dendrites, and finally to equiaxed grains.     

微重力下Fe-Al-Nb合金液滴的快速凝固机理及其对显微硬度的影响

采用落管无容器处理技术实现了Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)三元合金在微重力条件下的快速凝固,获得了直径为40—1000μm的合金液滴.实验中合金液滴的过冷度范围为50—216 K,冷却速率随着液滴直径的减小由1.23×10~3K·s~(-1)增大到5.53×10~5K·s~(-1).研究发现,Fe_(67.5)Al_(22.8)Nb_(9.7)合金液滴的凝固组织均由Nb(Fe,Al)_2相和(αFe)相组成,且随着液滴直径的减小,初生Nb(Fe,Al)_2相由树枝晶转变为等轴晶,共晶组织发生了约3倍的细化且生长特征由层片共晶向碎断共晶转变;硬质初生Nb(Fe,Al)_2相的析出有效提高了合金的显微硬度.与电磁悬浮条件下同过冷合金的凝固组织对比发现,落管条件下的合金液滴凝固组织更细化,使得合金显微硬度提高了2%—6%.     

液态三元Fe-Cr-Ni合金中快速枝晶生长与溶质分布规律

采用落管方法实现了液态三元Fe-Cr-Ni合金的深过冷与快速凝固,合金液滴的冷却速率和过冷度均随液滴直径的减小而迅速增大.两种成分合金近平衡凝固组织均为粗大板条状α相.在快速凝固过程中,不同直径Fe_(81.4)Cr_(13.9)Ni_(4.7)合金液滴凝固组织均为板条状α相,其固态相变特征很明显,随着过冷度增大,初生δ相由具有发达主干的粗大枝晶转变为等轴晶.Fe_(81.4)Cr_(4.7)Ni_(13.9)合金液滴凝固组织由α相晶粒组成,随着过冷度增大,初生γ相由具有发达主干的粗大枝晶转变为等轴晶,其枝晶主干长度和二次分枝间距均显著下降,晶粒内溶质的相对偏析度也明显减小,溶质Ni的相对偏析度始终大于溶质Cr.理论计算表明,与γ相相比,δ相枝晶生长速度更大.在实验获得的过冷度范围内,两种Fe-Cr-Ni合金枝晶生长过程均由热扩散控制.     

Correlated process of phase separation and microstructure evolution of ternary Co-Cu-Pb alloy

The phase separation and rapid solidification of liquid ternary Co₄₅Cu₄₂Pb₁₃ immiscible alloy have been investigated under both bulk undercooling and containerless processing conditions. The undercooled bulk alloy is solidified as a vertical two-layer structure, whereas the containerlessly solidified alloy droplet is characterized by core-shell structures. The dendritic growth velocity of primary α(Co) phase shows a power-law relation to undercooling and achieves a maximum of 1.52 m/s at the undercooling of 112 K. The Pb content is always enriched in Cu-rich zone and depleted in Co-rich zone. Numerical analyses indicate that the Stokes motion, solutal Marangoni convection, thermal Marangoni convection, and interfacial energy play the main roles in the correlated process of macrosegregation evolution and microstructure formation.     

落管中Ni-Fe-Ti合金的快速凝固机理及其磁学性能

采用落管自由落体方法实现了Ni_(45)Fe_(40)Ti_(15)合金在微重力无容器条件下的快速凝固,获得了直径介于160—1050μm的合金液滴.理论计算表明冷却速率及过冷度随液滴直径减小而增大,并呈指数函数关系,实验获得的最大过冷度为210 K(0.14 T_L).随着过冷度增大,凝固组织中粗大的γ-(Fe,Ni)枝晶逐渐细化,二次枝晶间距减小,溶质Ti在γ-(Fe,Ni)相中的固溶度显著扩展.对不同直径合金液滴的凝固样品进行磁学性能分析,结果表明随着凝固合金液滴直径减小,其饱和磁化强度增大,矫顽力减小,矩形比下降,软磁性能明显提高.     

Al-Cu-Ge合金的热物理性质与快速凝固规律研究

Al-Cu-Ge合金是典型的三元共晶体系,在工业上有重要的应用价值,对其进行研究有助于了解该合金的热物理性质和提高该合金的结构性能.本文选择了Al55Cu10Ge35,Al70Cu10Ge20和Al80Cu10Ge10三种成分合金作为研究对象,对合金的固态比热和热膨胀系数进行了测量,并对比分析了合金在近平衡凝固和落管快速凝固条件下的组织特征和凝固路径.研究发现,合金比热随Al含量的增大和Ge含量的减少而增大.这三种成分合金的软化温度均为666 K,物理热膨胀系数α在370—650 K温度范围内基本一致,约为1.5×10-5K-1.近平衡凝固条件下合金凝固过程中最后一步反应生成的均为(Al)+(Ge)二相共晶而不是三元共晶,这表明(Al)、(Ge)和CuAl2相在这三种成分的Al-Cu-Ge合金中难以同时形核并协同生长.然而,在快速凝固条件下,初生相的形核和生成受到抑制,合金中更易于形成二相共晶和三元共晶组织.     

Dendrite growth characteristics within liquid Fe-Sb alloy

Bulk samples and small droplets of liquid Fe-10%Sb alloys are undercooled up to 429 K (0.24TL) and 568 K (0.32TL), respectively, with glass fluxing and free fall techniques. The high undercooling does not change the phase constitution, and only the αFe solid solution is found in the rapidly solidified alloy. The experimental results show that when the undercooling is below 296 K, the growth velocity of αFe dendrite rises exponentially with the increase of undercooling and reaches a maximum value 1.38 m/s. S...