二元合金熔体凝固过程中的结构演化及团簇行为

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1、山东大学博士学位论文摘要本文以Cu．Ag、In-Sn与Cu-Sn二元合金为研究对象，采用高温x射线衍射与粘度测量为主要研究方法，对二元合金熔体在凝固过程中的结构演化与团簇行为以及粘度随温度的变化等进行研究。探讨了由团簇至晶核形成过程中不同的团簇行为；揭示了熔体结构与粘度的相关性；提出了液体结构脆性的概念，并对其与材料非晶形成能力的相关性进行了讨论。x射线衍射分析表明，Cu．AS合金的结构因子在整个温度范围内都具有对称的第一峰，其液态结构是微观均匀的。h．sn合金的液态结构由于受到sn的影响，结构因子第一峰的右侧出现类似Sn结构中的

2、肩膀，而且随着温度的降低以及sn含量的增加愈加明显。Cu．Sn合金在sn含量为10％与20％时结构因子还具有较为对称的第一峰，而当sn含量增加到30％与40％时表现出明显的不对称性，尤其在温度低于900．c2时更为明显。这是由于熔体中Cu3Sn结构的形成并使其液态结构有明显的微观不均匀性造成的，并且x射线衍射曲线与DSC分析曲线都在900"C附近出现异常。cu．Ag、h．sn以及Cu．Sn合金的原子平均最近邻距离r。从高温到液相线附近的变化总体上都是增大的，表明二元合金熔体中也具有原子团簇的微观热收缩现象。Cu-Ag合金径向分布函

3、数RDF的Gauss分解结果表明，富cu的CusoAszo和CumA940两种合金熔体在接近液相线时Cu-Cu相关性明显增强，而富AS的Cu20Ag∞则表现出Ag-Ag相关性的增强。对ch—Ag和ln-Sn合金熔体的相关半径rc与相关长度D进行分析，结果表明二者具有不同团簇行为。在cu．Ag合金中，，c在液相线附近保持较为稳定，D在从高温一直到液相线附近是一种近似线性的变化趋势．在h．Sn合金中，，c在液相线附近都有明显的突变，D随温度的变化是明显的非线性的，而是更接近于指数的变化关系，并且在液相线附近D还出现与，c相似的突然变化

4、。由于团簇在晶核形成中的重要作用，我们将两种不同的团簇行为归结为不同的形核机制，即“稳定模式”(Stabilizationmode)与“跳跃模式”(Saltationmode)。稳定模式的本质在于相似的液固结构，液态结构随温度变化较为稳定，液体中团簇结构可摘要以作为晶胚而直接形核；跳跃模式的本质则在于液固结构有较大差别，液态结构随温度变化较快，液体中的团簇结构需要突变后才能作为晶核形成的核心。cu—sn合金的rc在900"C附近都有明显的增大，这与液体中Cu3Sn结构的形成有很大关系。另外，，c在液相线以下约30．-40℃的地方才

5、有因形核而引起的明显变化，这主要是由于熔体中存在的Cu3Sn结构，它们的存在抑制了熔体内原子的扩散以及结构的重组，从而对熔体结构起到了一定程度的稳定作用，使之需要一定的过冷驱动力才能形核。并且Cu-Sn合金的相关长度D随温度的变化关系介于线性与指数关系之间。对Cu-Ag，In30SnTo以及cu．sn台金的粘度进行了测量，结果表明粘度在高温时符合Arrhenius指数关系，而在接近液相线时部偏离这一指数关系。其中Cu-Ag合金与cu·sn合金都向增大的方向偏离，并且Cu-Ag合金偏离程度较大，而ln30SnTo合金则向着稍微减少的

6、方向偏离。根据弗伦克尔关于液态结构的理论，液态结构参数平均晟近邻原子间距离，l在液相线附近随温度的变化可以定性的反映出上述粘度偏离Atrhenius指数关系的行为。此外，我们还找到了粘度与液态结构参数相关长度D以及温度r的简单定量关系，即；口=aD+bT+c，其中，口、b和c为常数。根据液态结构参数相关长度D随温度的变化提出液体结构脆性的概念，它反映出了不同材料的液态结构从高温一直到液固转变(液相线附近)过程中随温度的不同变化行为。不同于过冷液体与过热熔体的脆性概念，我们直接使用液态结构参数代替液体的粘度，从更为本质的物性来研究液

7、体脆性的问题。为了量化结构脆性，给出了结构脆性系数E，其定义如下：。d(o／ff)l。d(r‘／r)b其中，，是液固转变温度，∥是在，温度时液态结构的相关长度。根据这一新的概念，对其与非晶形成能力的相关性进行了讨论，结果表明，在所研究的合金中，结构脆性与其非晶形成能力有直接的关系，结构脆性系数越小，即熔体结构随温度变化越缓慢，非晶形成能力越好。关键词：二元合金；X射线衍射；液态结构；团簇；粘度山东大学博士学位论文Inthepresentpaper,thestructuralevolution,clusterbehaviorandv

8、iscositywithtemperatureinthesolidificationprocessofCu-Ag，In-SoandCu—SnbinaryalloyswereinvestigatedbymeansofX-mydiffractionan