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1、第53卷第6期2004年6月物 理 学 报Vol.53,No.6,June,2004100023290P2004P53(06)P1909207ACTAPHYSICASINICAn2004Chin.Phys.Soc.急冷快速凝固过程中液相流动与组织3形成的相关规律徐锦锋 魏炳波(西北工业大学应用物理系,西安 710072)(2004年1月31日收到;2004年3月16日收到修改稿) 研究了Fe258wt%Sn过偏晶合金的急冷快速凝固和组织形成特征.实验发现,Fe2Sn过偏晶合金的急冷快速凝固组织由规则排布的纤维状β2Sn相和分布其间的α2Fe相及少量金属间化合物相组成,β2S
2、n相的几何排列方向与合金条带表面成0—15°的夹角.根据急冷条件下金属熔体的热传导方程和Navier2Stokes方程,对过偏晶合金的凝固行为和组织形成过程进行了理论分析,揭示出熔体内部的动量传输对过偏晶合金的液相分离行为具有显著的影响.两相分离发生于液池底部约200μm的急冷区内,分离的L2液滴在辊面驱动的剪应力作用下发生变形,通过碰撞聚合或搭接凝并,最后凝固成纤维状组织.由于冷却速率大,较高温度下发生的包晶转变受到抑制,从而使部分亚稳相一直保留到室温,形成与平衡组织不同的相结构.关键词:液态,相分离,液相流动,快速凝固,晶体生长PACC:6125M,6150J,6155H
3、,6470D各物理量与过偏晶合金凝固组织之间的内在联系,11引言揭示出急冷Fe258%Sn过偏晶合金条带中纤维状组织的形成机制.合金熔体快速凝固过程中组织形成规律的研究一直是凝聚态物理和材料科学共同关注的重要研究2.实验方法[1—8]课题之一。单辊技术可使液态金属获得较大的冷却速率,实现瞬间形核、生长,从而获得无偏析的Fe258wt%Sn过偏晶合金用高纯Fe(99.99%)和凝固组织.由于通过实验直接测定冷却速率往往存Sn(99.999%)在超高真空电弧炉中熔配而成.样品[9—15]在一定的难度,许多研究者对金属熔体急冷快约1.0g.实验过程中,把样品放入底部开有Φ0.6—速
4、凝固过程的各种物理参量如温度场、速度场和冷1.5mm喷嘴的Φ16×150mm石英试管中,再将试却速率等进行了数值计算,获得了一些重要的研究管置入配有真空罩的辊轮顶部,抽真空至2.0×-25结果.但其研究内容主要是针对非晶合金和纯金属10Pa后反充高纯He(99.995%)气至10Pa.反复而展开的。对于急冷条件下过偏晶合金的快速凝固“抽真空—充He气”3—5次之后,使用高频感应熔行为的研究却很有限.炼设备加热样品,使其熔化并过热200K以上,保温本文在实验观察和分析的基础上,将热传导方5—10min后,向石英管中吹入高压Ar气,液态合金程、连续性方程和Navier2Stoke
5、s方程相耦合并引入迅速喷敷在高速旋转的Cu辊表面,快速凝固成厚动力学黏度系数、结晶潜热、压力和辊轮速度等参度约60μm、宽度5mm和长度50—80mm的Fe-数,对单辊法制备Fe-58wt%Sn过偏晶合金的传热58wt%Sn过偏晶合金条带.实验装置和计算区域如与熔体流动进行了理论分析.通过求解合金条带的图1所示.冷却速率、流体速度矢量场和剪应力等参量,探讨了实验结束后,将合金条带抛光腐蚀,所用腐蚀剂3国家自然科学基金(批准号:50121101,50395105和50271058)和霍英东教育基金(批准号:71044)资助的课题.©1994-2006ChinaAcademicJ
6、ournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net1910物 理 学 报53卷为“5gFeCl3+100mlHCl+100mlH2O”的水溶液.合金反应,即Fe5Sn3→α2Fe+Fe3Sn2.当温度最后降至条带尺寸及组织形貌用XJG205型光学显微镜和880K时,发生Fe3Sn2→α2Fe+FeSn的共析反应.故室ARMRAY21000B型扫描电镜进行观测和分析.温下的平衡凝固组织应为α2Fe+FeSn两相混合组织.[16]图2 合金成分在Fe-Sn相图中的位置图1 实验装置和计算
7、区域简图上述相变过程仅是建立在平衡相变热力学基础上的,没有考虑对偏晶合金凝固过程有着显著影响3.实验结果的各种动力学因素,如相间密度差、润湿性、冷却速[16]率、温度梯度等.实际上,在各种动力学因素的支配Fe2Sn二元合金相图如图2所示.与普通二下,Fe2Sn偏晶合金的相结构和组织形成过程远比平元偏晶合金相比,Fe258%Sn过偏晶合金在液固转变衡相图所预示的结晶过程要复杂得多.而且,在快速过程中具有多种类型的相变,组织的形成具有一定凝固条件下,晶体的形核、生长和相分离机制均发生的复杂性.在平衡凝固条件
