【摘要】：異質(zhì)形核行為廣泛存在于實際生產(chǎn)中,如金屬構(gòu)件的鑄造、焊接等過程。這是由于在實際生產(chǎn)過程中,金屬熔體內(nèi)部不可避免的含有大小不同、形態(tài)各異、分布不均勻的異質(zhì)相,如氧化物、金屬間化合物和其它高熔點質(zhì)點(或顆粒)。異質(zhì)相的存在很大程度上影響著金屬熔體凝固過程的形核和生長行為,決定凝固組織分布,進而影響材料的性能。而熔體結(jié)構(gòu)演化作為金屬凝固的前驅(qū)體,決定著金屬凝固的形成和發(fā)展方向。因此,為了探索鐵熔體的形核過程及其原子尺度結(jié)構(gòu)演化規(guī)律,本論文以純鐵為研究對象,借助氣懸浮設備研究鐵熔體中氧化物的形成對其形核的影響。利用同步輻射高能X射線衍射(HE-XRD)跟蹤并研究了冷卻過程中熔體結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律,探索形核過程中的原子尺度結(jié)構(gòu)起源,以及氧化物對熔體結(jié)構(gòu)的調(diào)控機理。利用高分辨透射電鏡(HRTEM)探討了異質(zhì)形核過程中異質(zhì)相促進形核的難易程度,研究了純鐵在氧化物顆粒上的異質(zhì)形核行為。主要研究結(jié)果如下:(1)溶氧鐵液在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的兩種氧化物顆粒,分別為FeO和Fe_3O_4。利用HRTEM觀察到的FeO和Fe_3O_4的暴露面分別是(002?)_(FeO),(1?11?)_(FeO)和(2?02)_(Fe3O4),(2?22?)_(Fe3O4),且計算得(002?)_(FeO)和(2?02)_(Fe3O4)分別與{110}_(δ-Fe)和{112}_(δ-Fe)之間的Bramfitt面錯配度為15.4%和9.0%,可以作為潛在的形核界面。(2)利用HE-XRD跟蹤含異質(zhì)相鐵熔體在冷卻過程中的演化規(guī)律。結(jié)果表明,熔體結(jié)構(gòu)因子S(Q)的第一峰強度隨著溫度的降低而升高,且峰位向高Q值偏移,熔體的有序程度增加;第二峰的右側(cè)有明顯的肩峰,說明體系中存在二十面體短程有序(ISRO)結(jié)構(gòu)。(3)分析熔體結(jié)構(gòu)的最近鄰距離(r_1)與配位數(shù)(Z)表明,熔體的團簇類型并未發(fā)生改變,而熔體的r_1卻有明顯的變化,且取決于異質(zhì)相基底的類型。(4)不同熔體和晶體之間的最近鄰距離在相同的溫度下具有以下規(guī)律,r_1(純鐵熔體)≈r_1(含F(xiàn)eO顆粒熔體)r_1(含F(xiàn)e_3O_4顆粒熔體)r_1(含Al_2O_3熔體)r_1(晶體鐵)r_1(Fe晶體)r_1(Fe_3O_4晶體)r_1(Al_2O_3晶體),相應的過冷度(ΔT)順序為:ΔT_(純鐵)(304oC)ΔT_(含F(xiàn)eO顆粒鐵液)(223 ~oC)ΔT_(含F(xiàn)e3O4顆粒鐵液)(75 ~oC)ΔT_(含Al2O3顆粒鐵液)(48 ~oC)。(5)觀察形核體系的r_1與形核過冷度的關(guān)系表明,異質(zhì)相基底與熔體之間的r_1呈正相關(guān)關(guān)系;熔體和對應晶體的r_1越接近,其形核過冷度越小,進一步驗證了熔體有序結(jié)構(gòu)與固相晶體結(jié)構(gòu)的差異是形核過冷度的原子尺度結(jié)構(gòu)起源。(6)初生相與異質(zhì)形核基底的錯配度在一定程度上也反映了液/固轉(zhuǎn)變的難易程度。該研究結(jié)果有利于進一步澄清異質(zhì)形核過程中熔體結(jié)構(gòu)、新相以及基底原子結(jié)構(gòu)對形核過程的影響機理。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG141
【圖文】：

短程有序結(jié)構(gòu)。有二十面體短程有序，最直觀的方法是觀察結(jié)為了解釋 Ti-Ni 合金熔體中的肩峰，Lee[66]總結(jié)因子，如圖 1-1 所示。(a),(b)為四面體團簇，它單元，然而并沒有在結(jié)構(gòu)因子曲線的第二峰上發(fā)低的是十面體團簇(d)，描述金屬玻璃局域結(jié)構(gòu)）(e)，也都沒有發(fā)現(xiàn)該特征。只有非晶體結(jié)構(gòu) 19 個原子的二十面體(f)，在結(jié)構(gòu)因子的第二峰肩峰出現(xiàn)，不同峰的相對位置也具有確定的關(guān)系位與第一峰位的比值為 1.71，肩峰與第一峰位的

G= GV4πr3/3+LS4πr2公式的前一項為系統(tǒng)的驅(qū)動力，而后一項為相后減小，存在一個極大值。因此，對 r 求導，并：G*=163πLS3GV2冷度的函數(shù)，即 GV=-LVT/Tm，將其代入 1-G*=163πLS3LV2T2化潛熱； T——熔體過冷度；Tm——金屬熔核的情況下，臨界形核功和臨界晶核尺寸只與液體中的原子團簇，它們的尺寸隨著溫度的降 ΔT 又是反比例函數(shù)，所以r0- T曲線與r*- T必某金屬均質(zhì)形核的過冷度。

3 夾雜與鋼液在 1600 ℃時的界面能與平衡熔點的關(guān)ween interfacial energy (inclusion/liquid steel) at 1600 omelting temperature[102]質(zhì)形核的效率不僅取決于γO/L，還有γO/L，γO/S核劑（N）的錯配度程度可以用 Brafitt 的面∑ ( ) ( )3 1=| | × 100%kl)N為固相和形核劑的低指數(shù)晶面，uvwS和，d uvw 是晶向 uvw 的晶面間距，θ 為 uvwS時的形核過冷度，用這個參數(shù)解釋碳氮化物許多研究者都利用該參數(shù)去解釋異質(zhì)形核過結(jié)了一些異質(zhì)相對對鐵形核的影響，如圖 1-4

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

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2 熊玉華,李培杰,曾大本,楊愛民,嚴衛(wèi)東,劉 林;鑄造工藝參數(shù)和細化劑對K4169高溫合金鑄態(tài)組織的影響 Ⅰ.晶粒組織及晶粒細化機理[J];金屬學報;2002年05期

相關(guān)博士學位論文 前3條

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本文編號：2767721