【摘要】：利用微波技術燒結金屬及合金材料,可使材料的微觀結構更加細化均勻,從而增強材料的機械性能,是制造高性能新型合金的優(yōu)異技術,研究微波和金屬之間力學作用產生的機理,對進一步揭示微波燒結原理、指導工業(yè)生產具有及其深遠的意義。本文首先闡明了深入理解微波燒結合金的機制、實現(xiàn)微波制備合金技術可控的關鍵途徑是進行微波燒結金屬過程中相關力學機理的研究。為了分析和驗證微波燒結中存在的力學作用機制,展開了具備不同電磁學性質的金屬的微波燒結同步輻射斷層掃描(SR-CT)在線實驗,定量分析了燒結動力學參數(shù)(燒結頸)的演化過程。結合實驗結果,討論了不同電磁學性質和微觀組織形貌對微波燒結金屬的力、熱驅動效應的作用。本文的研究的主線內容如下：1、首次開展了具有不同電磁學性能的金屬單質及其混合物的微波燒結在線實驗研究,發(fā)現(xiàn)各類金屬均出現(xiàn)了迅速又獨特的微觀組織形貌變化現(xiàn)象,定量統(tǒng)計不同金屬燒結頸動力學參數(shù)隨燒結實驗的演化曲線,分析了相關的物質擴散機制。實現(xiàn)了不同電學性質(低電阻金屬Al、高電阻金屬Ti和Al-Ti混合金屬)以及不同磁學性質(抗磁性金屬Cu、鐵磁性金屬Ni和Cu-Ni混合金屬)金屬及其混合物的微波燒結的SR-CT在線實驗研究。通過實驗獲得的三維微觀結構演化圖像,發(fā)現(xiàn)了具備不同電磁學性質的金屬在微波燒結過程中,微觀形貌特征的變化存在諸多不同的現(xiàn)象。定量分析動力學參數(shù)隨燒結時間演化的曲線,提出了不同金屬體系的燒結現(xiàn)象特征。2、揭示了金屬材料在微波電磁場中的感應渦流對微觀結構演化產生的影響,研究了渦流的力效應和熱效應對物質擴散和結構運動的作用,結合改進的相場數(shù)值模型,對相關機理進行了分析。分析了金屬顆粒在微波電磁場作用下生成感應渦電流的機理和強度,構建了渦電流產生力學作用的模型,并在相場模型中引入吸引力作用模型,分析驗證了造成Al和Ti在微波燒結前段時期出現(xiàn)燒結頸動力學參數(shù)不同的原因。發(fā)現(xiàn)渦電流產生的熱效應導致金屬的物質擴散系數(shù)發(fā)生改變,造成Al顆粒間燒結頸生長速率減緩、Ti燒結頸生長速率提高的現(xiàn)象,將相場模型中的擴散熱力學常量修改為多種擴散機制共同作用的變量,驗證了渦流熱效應對物質擴散的影響。3、探索了金屬材料的磁疇結構和混合金屬異質界面結構對微波燒結產生的力、熱作用。根據鐵磁性Ni金屬微結構演化現(xiàn)象和微觀動力學參數(shù)演化曲線,分析了磁疇結構和微波磁場分量產生熱力學驅動力,加速物質擴散速度,導致鐵磁性金屬的微觀結構演化速度更快,并結合增強的多種擴散機制相場模型進行分析驗證。提出由于微波中磁場分量的作用,導致具有不同磁性的金屬磁化方向相反,使顆粒間產生排斥力作用,并將排斥力模型引入相場模擬中,對力學作用機理分析進行驗證。最后在相場動力學方程中加入晶界作用力的修正項,結合多種擴散機制耦合的擴散動力學系數(shù),分析了由于異質界面的存在,和微波產生相互作用,對混合金屬燒結產生了力、熱效應。本文通過實驗觀測、理論分析、模擬驗證三個方面,研究金屬及合金的微波燒結機制。開展了微波燒結具有不同電磁學性質的金屬SR-CT在線實驗研究,根據相關的微觀結構演化特征,分析微波和金屬間產生的力、熱效應,結合改進的相場數(shù)值模型,驗證了分析的正確性。
【圖文】：

圖２．６），從該逡逑

逑的大小將發(fā)生變化，顆粒間的孔隙慢慢變小甚至消失，大量的固－氣表面轉化為逡逑固－固表面。每隅一段時間統(tǒng)計一次Ａ１顆粒自由表面積的大小，，從圖２．９中可逡逑發(fā)現(xiàn)，金屬Ａ１在微波中燒結的過程中，其自由表面積持續(xù)減小到燒結過程停止，逡逑證明Ａ１—直有效地和微波產生作用。微波燒結結束時，Ａ１樣品表面積平均減少逡逑了邋４７０４個像素，和初始的粉末體系相比，降低了邋６９．１％，即顆粒之間接觸緊密，逡逑金屬Ａ１樣品逐漸達到致密化。隨著自由表面積的減少，Ａ１粉巧逐漸由疏松樣品逡逑變?yōu)橹旅艿臒Y體，微波難穿入燒結體，反射增強，故出現(xiàn)了圖２．８中燒結現(xiàn)逡逑象減緩的現(xiàn)象。逡逑．、！邐＇邋Ｐｕｒｅ邋Ａ１邋Ｇｒａｉｎ邋Ｓｕｒｆａｃｅ逡逑Ｉ－邋－邋Ｌｉｎｅａｒ邋Ｆｉｔｔｉｎｇ逡逑＾６０００－邋邐逡逑Ｉ逡逑Ｉ邋４０００－邐、逡逑Ｖ逡逑２０００－邋、逡逑？逡逑０邐１０邐２０邐３０邐４０邐５０逡逑Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ邋Ｔｉｍｅ，ｍｉｎ逡逑困２．９邋Ａ１自由表面隨時間的變化洽勢逡逑金屬Ｔｉ和金屬Ａ１均具有相同的磁學性質（均為順磁性金屬），但Ｔｉ的導電逡逑性和Ａ１相差較大
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TF124.5;TN015

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本文編號：2548933