多元合金固-液界面能随合金成分和温度的变化规律研究

金属和合金的固-液界面能是一个非常重要的物理量，只有知道了固-液界面能的准确数据，才能实现对其凝固规律的准确定量研究和对凝固过程的有效控制。但是，在合金固-液界面能方面，目前国内外仅有几个特殊成分合金在特定温度下的零散数据，没有多元合金固-液界面能随合金成分和温度变化的理论模型及相关关系式。.本项目的主要目的是：通过用形核过冷度法、晶界法和本项目申请者所发明的小平面相生长方式转变临界过冷度法对多元合金固-液界面能的实验研究及分子动力学模拟，获得多元合金固-液界面能随合金成分和温度的变化规律；在此基础上，以研究合金固-液界面结构与固-液界面能的内在关系为出发点，建立多元合金固-液界面能的理论模型，获得多元合金固-液界面能与合金成分和温度之间的相关关系式；解决长期以来国内外因缺乏多元合金固-液界面能的相关关系和准确系统数据，而不能对其凝固时的形核和生长规律进行准确定量研究和有效控制的问题。

本项目通过用形核过冷度法、晶界法和棱面相生长方式转变临界过冷度法对多元合金固-液界面能的实验研究及分子动力学模拟，获得多元合金固-液界面能随合金成分和温度的变化规律，建立多元合金固-液界面能的理论模型，实现对凝固时的形核和生长规律进行准确定量研究和有效控制的问题。.取得的主要进展和研究成果有：. (1) 建立了金属固-液界面能和温度之间理论模型，发现金属的固-液界面能随温度呈非线性变化的规律，解决了现有固-液界面能模型不能准确确定金属固-液界面能随温度变化规律的问题。预测了金属Ag、Cu和Ni在熔点到理想玻璃化转变温度点的一个较宽温度范围内的固-液界面能、均质形核过冷度以及形成金属玻璃的临界冷速，研究成果不仅与实验值相一致，而且也与模拟值相吻合。. (2) 构建了合金固-液界面能随合金成份变化的理论关系，解决了合金固-液界面能与合金成份之间变化规律的问题。此理论关系与Al-Cu、Al-Si、Al-Mg、Al-Ni和Al-Ti在共(包)晶温度和成份下的实验值进行对比，发现其完全吻合。. (3) 判定了金属熔体和二元合金中晶体生长方式转变的临界过冷度，预测了金属熔体和二元合金中小平面相与熔体之间的固-液界面能，预测值与实验值相一致。研究表明，添加第三组元P未改变Si-Al二元合金中初生Si的生长方式。. (4) 获得了判定金属熔体形核方式的方法与判据，证实Ag、Cu、Ni、Bi和Ni-21.4%Si共晶合金已经达到了其均质形核过冷度。. (5) 确定了Ag、Cu、Ni的最大形核过冷度，以形核过冷度法预测出Ag、Cu、Ni在不同温度下的固-液界面能，这与由界面能模型的预测值相吻合。. (6) 采用晶界凹槽法确定了Al-Si二元合金中小晶面相与合金液的固/液界面能（0.2141 Jm-2），这与理论预测值和实验值基本相吻合。. (7) 采用分子动力学模拟得到Ni、Ag熔体以不同冷速冷却凝固后的微观结构及其演变规律。证实了熔体中的亚临界晶胚、临界晶胚和结晶相的结构是相同的。. (8) 采用分子动力学模拟的方法揭示了Ag、Ni熔体的形核过冷度随着初始温度的变化规律，确定了其均质形核过冷度。解决了熔体结构和过冷熔体形核方式之间的问题。