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《共晶合金的凝固過(guò)程涉及到兩個(gè)固相的競(jìng)爭(zhēng)形核及協(xié)同生長(zhǎng).doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、快速凝固Co-Sn合金的組織形態(tài)與電學(xué)特性共晶合金的凝固過(guò)程涉及到兩個(gè)固相的競(jìng)爭(zhēng)形核及協(xié)同生長(zhǎng),受冷卻速率、過(guò)冷度、形核條件和重力水平等因素的制約.在平衡凝固條件下,Co-Sn共晶合金的凝固組織通常為層片狀共晶,而在非常規(guī)凝固條件下,兩相協(xié)同生長(zhǎng)模式被打破,呈現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的態(tài)勢(shì),從而導(dǎo)致組織形貌的顯著變化[1~6]，譬如,隨著過(guò)冷度的增大,凝固組織由規(guī)則層片共晶向不規(guī)則共晶轉(zhuǎn)變[4]。急冷技術(shù)可使液態(tài)金屬獲得較大的冷卻速率,實(shí)現(xiàn)瞬間形核、生長(zhǎng),從而獲得組織精細(xì)、偏析程度小的復(fù)相微晶材料及亞穩(wěn)相結(jié)
2、構(gòu).顯著細(xì)化的組織和特異的相結(jié)構(gòu)必然引起合金物理化學(xué)性能的變化.晶體取向、缺陷、晶界及表面狀態(tài)對(duì)合金的電阻率有著顯著的影響[7~12].因此,快速凝固組織形成規(guī)律和合金電學(xué)特性的研究是材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理共同關(guān)注的重要研究課題之一.本文采用單輥實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究了亞共晶和共晶Co-Sn合金的急冷快速凝固行為和組織特征,實(shí)驗(yàn)測(cè)試了合金條帶的電阻率,并對(duì)合金偏析行為、組織形態(tài)及電阻率與冷卻速率之間的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行了理論探索.1實(shí)驗(yàn)方法Co-20%Sn(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和Co-34.2%Sn合金均用高純Co(99.
3、999%)和Sn(99.999%)在超高真空電弧爐中熔配而成.樣品質(zhì)量約為1.2克.實(shí)驗(yàn)之前,把表面潔凈的樣品放入底部開有?0.8mm×10mm噴嘴的?16mm×150mm石英試管中,再將試管置入配有真空罩的輥輪頂部,抽真空至1.2×10?2Pa后反充高純He(99.995%)氣至1個(gè)大氣壓.反復(fù)“抽真空－充He氣”3~5次之后,使用高頻感應(yīng)熔煉設(shè)備加熱樣品,使其熔化并過(guò)熱100K以上,保溫3~5min后,向石英試管中吹入高壓Ar氣.液態(tài)合金在高壓下呈連續(xù)液流噴射到高速旋轉(zhuǎn)的Cu輥表面,急冷凝固
4、成合金條帶.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中輥面線速度控制在20~52m/s之間.合金條帶經(jīng)鑲嵌、拋光和浸蝕處理后,用ARMRAY-1000B型掃描電鏡(SEM)分析合金的組織形態(tài),使用能譜儀(EDS)分析合金相微區(qū)化學(xué)成分.所用浸蝕劑為“30mL王水+5gCuCl2+30mLH2O”溶液.采用經(jīng)典的SZ-82型數(shù)字式四探針測(cè)試儀測(cè)定合金條帶的電阻率.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論合金成分在Co-Sn二元合金相圖[4]中的位置如圖1中的箭頭所示.在平衡凝固條件下,當(dāng)熔體溫度下降到1588K時(shí),Co-20%Sn合金首先析出初生相
5、αCo枝晶,在到達(dá)共晶溫度時(shí)αCo枝晶析出量為51.3%.處于枝晶間隙的剩余液體在1385K下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變,形成由αCo和γCo3Sn相構(gòu)成的含量為48.7%的規(guī)則層片共晶組織.Co-34.2%Sn合金則全部形成層片狀兩相共晶組織.在共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中,αCo相和γCo3Sn相按比例協(xié)同生長(zhǎng),兩相質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40.2%和59.8%.然而,在急冷快速凝固條件下,兩相形核與生長(zhǎng)條件發(fā)生了變化,因而形成與平衡凝固組織形態(tài)迥異的快速凝固組織.圖1兩種合金成分在相圖中的位置2.1快速凝固組織特征2.1.1C
6、o-20%Sn亞共晶合金的組織形態(tài)Co-20%Sn亞共晶合金在不同輥速下的快速凝固組織如圖2所示.圖中黑色相為αCo,灰白色相為γCo3Sn.初生αCo相按枝晶方式生長(zhǎng),γCo3Sn相分布其間.圖2(a)是輥速為20m/s的快速凝固組織.圖中,條帶組織沿厚度方向明顯分為三個(gè)晶區(qū):近輥面激冷等軸晶區(qū)(Ⅰ區(qū))、中部柱狀晶區(qū)(Ⅱ區(qū))和自由面粗大等軸晶區(qū)(Ⅲ區(qū)).Ⅰ區(qū)金屬熔體因受銅輥的激冷作用最強(qiáng),形核率大,凝固組織以均勻細(xì)小的等軸晶為特征.Ⅱ區(qū)因受輥輪的單向吸熱,在離開輥面的方向上形成較大的溫度梯度,
7、αCo的生長(zhǎng)形態(tài)以定向生長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)柱狀晶為特征.由于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)凝固層熱阻的影響,Ⅲ區(qū)的傳熱作用減弱,溫度梯度較中部有所減小,該區(qū)中初生αCo枝晶的生長(zhǎng)方向具有明顯的隨機(jī)性,凝固組織以粗大的等軸晶為特征.圖2(b)為輥速Vr=36m/s的凝固組織.從圖中可以看出,等軸晶區(qū)擴(kuò)大,而柱狀晶區(qū)明顯縮小.當(dāng)Vr=52m/s時(shí)柱狀晶區(qū)完全消失,αCo相全部轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶組織如圖2(c)示.三個(gè)晶區(qū)的厚度D隨輥速的變化趨勢(shì)如圖3所示.2.1.2Co-34.2%Sn共晶合金的組織形態(tài)圖4為Co-34.2%Sn
8、共晶合金在不同輥速下的快速凝固組織形態(tài).從中可知,在Vr=20~52m/s的范圍內(nèi),合金均獲得了全部的不規(guī)則共晶組織.同樣,由于受Cu輥較大的急冷作用,近輥面晶區(qū)組織細(xì)化程度非常顯著.另外,隨著冷速的增大,不規(guī)則共晶組織得到了顯著地細(xì)化,并且在條帶厚度方向上的組織均勻性也獲得了明顯地改善.2.1.3冷卻速率的理論計(jì)算合金條帶組織的形成規(guī)律與液態(tài)合金的冷卻速率密切相關(guān).為了建立冷卻速率與輥速之間的內(nèi)在聯(lián)系,將Navier-Stokes方程、連續(xù)方程和熱傳導(dǎo)方程相耦合,對(duì)溫度場(chǎng)和冷卻速率進(jìn)行了理論計(jì)
