二元合金凝固过程中熔体结构与物理性质演化及其对凝固行为的影响

Physical property, liquid structure, and their evolutions in solidification process of alloy melts have significant effects on structure, state, and performance after solidification. In the present project, some binary alloys are chosen as the research objects. Evolutions of physical property and liquid structure will be researched in solidification process by high temperature viscometer, thermal dilatometer, high temperature X-ray diffractometer, etc. The differences of liquid structure evolution and dynamic behavior near liquidus among different alloys will be obtained to reveal different liquid-solid transformation patterns and their essences. The internal relations between physical properties and liquid structural characteristics of alloy melts will be explored and the quantitative relation model between them will be established. In liquid-solid interval, the influence of two-phase collision and competition on liquid structure and solidification behavior will be investigated. Meanwhile, the new thought for glass-forming ability of alloys will be provided based on evolutions of liquid structure and physical property. The results of this project will provide theory basis and guidance for enriching and developing of solidification theory, solidification process control, and researching and developing of new type metal materials.

合金熔体的物理性质、结构及其在凝固过程中的演化对凝固后合金的的结构、状态以及性能具有重要的影响。本项目拟以二元合金为研究对象，从合金的物理性质和液态结构入手，利用高温粘度计、热膨胀仪、高温X射线衍射仪等设备，研究合金熔体在凝固过程中的物理性质与结构演化规律，获取不同合金在液相线附近液态结构演化与动力学行为的区别，揭示不同液固转变模式及其本质；探索合金熔体的物理性质与液态结构特征之间的内在联系，建立两者之间的定量关系模型；探讨液固区间两相碰撞竞争对液相结构以及凝固行为的影响；同时，为寻求基于液态结构与物理性质演化规律的合金玻璃形成能力判据提供新思路。该项目的研究结果将为丰富和发展凝固理论、金属材料的凝固过程控制以及新型金属材料的研究与开发提供理论依据与指导。

材料的液态结构与物理性质必然对最终所形成的固态材料的结构与性能产生影响，开展材料高温熔体结构、物理性质及其在凝固过程中的演化规律研究，对于材料制备新工艺以及新型材料的开发具有重要意义。. Cu-Sn和Ag-Si合金的高温熔体粘度η和相关长度D随温度的变化规律均符合Arrhenius关系。Cu-Sn合金的η和D随Sn含量的增加而减少，Cu80Sn20和Cu70Sn30合金具有较大的流变激活能 Ea,V和结构演化激活能Ea,D；Ag-Si合金的η和D随成分的变化相对较小，四种Ag-Si合金的Ea,V和Ea,D随Si含量的增加而增大,共晶成分的Ag89Si11具有最大的Ea,V和Ea,D；较大的Ea,V和Ea,D意味着粘度和结构随温度的变化相对更快一些。. Ag-Si合金结构因子S(Q)和双体分布函数g(r)第一峰的峰高S(Q1)和g(r1)以及第一层原子配位数Ns，都随Si含量的减少和温度的降低而增加；相关半径rc和原子团簇内原子数Nc，随Si含量的减少而增加，在一定温度范围内比较稳定，在液相线附近明显增大；D随温度的降低而连续增大，没有突变。. 建立了不同类型二元合金熔体粘度和结构参数之间具有不同的定量关系模型：具有简单共晶相图，原子间没有明显相互作用的合金，粘度与结构随温度的变化是同步的，表现为D与η的差仍符合Arrhenius公式；相对复杂的相图，固态下有相对稳定的第三相或者化合物存在的合金，由于熔体中存在类似化合物的团簇结构，粘度与结构随温度的变化是不同步的，与结构变化相比，在高温区粘度相对变化较慢，而在低温区变化较快，D与η的比值与温度呈线性变化规律；具有简单相图，原子间有明显相互作用的合金，粘度和结构的关系处于上面二者之间。. 通过Ag-Si合金液固区间最近邻结构参数S(Q1)、g(r1)和Ns、团簇结构参数rc和Nc以及相关长度D随温度变化趋势的分析，结果表明不同过冷条件下，液固区间两相碰撞竞争对熔体的最近邻结构以及团簇结构的影响不同；结合过热熔体脆性与结构脆性的概念，从动力学角度探讨了Ag-Si合金的非晶形成能力，结果表明合金的过热脆性系数M和结构脆性系数Fs越大，合金具有越好的非晶形成能力。