二元系化合物形成合金熔体结构转变及其对凝固的影响

【摘要】：目前，通过各种衍射手段和对结构敏感物理量的研究，已经发现部分合金熔体中存在着类似固态结构的拓扑及化学短程有序结构。特别是对于化合物形成合金系统，由于其熔体中各组元间强烈的相互作用，其粒子与粒子间的结合方式要比其他液体结构复杂得多。 在对化合物形成合金熔体结构的探索中，研究者发现了多种合金熔体中化学短程有序结构会随成分发生变化。但是，化学短程有序在化合物形成合金中是否普遍存在?尤其重要的是，它在熔体中是否会随温度发生消散或结构转变?并且，化合物形成合金熔体中存在的化学短程有序结构是否及如何对合金的凝固行为及组织产生影响?对化合物形成合金熔体的这些问题进行深入研究，不仅是探索温度诱导液-液结构转变的普适性(范围、条件及规律)及其本质的重要内容之一，对科学的发展有重要意义；同时，也有助于对凝固微观机理的深入认识，为研发新型合金材料、开拓及改进合金制备工艺方法提供科学依据。 本文系统研究了化合物形成合金熔体结构随温度的转变，以及这种转变对凝固的影响，得到以下主要结果： Ⅰ．在对多种化合物形成合金熔体的初步探索的基础上，并根据相图的特点，选定Bi-In、Cu-Sn和Bi-Te三种二元系化合物形成合金，系统研究了熔体的电子输运性质随温度及成分的变化规律和特征。通过对实验现象的观察与理论分析，总结以下特点： (1)这三种二元合金在熔点以上一定的温度范围内，都发生了熔体电阻率随温度异常变化的新现象，揭示了这些化合物形成合金熔体中，在液相线以上的一定温度范围仍存在与固态化合物相对应的化学短程序微观结构，并且这些化学短程序会随着温度的继续升高而发生消散或结构转变。本文还对上述现象运用DSC手段进行了验证。 (2)Bi-In合金系统中，熔体的电阻率—成分曲线在BiIn化合物成分附近出现明显转折，说明该成分处Bi原子与In原子的相互作用最强，这符合固态中BiIn金属间化合物最为稳定的特点。而在Cu-Sn与Bi-Te合金系的电阻率—成分曲线上，对应各自化合物形成能力最强的成分处也都出现了极值点。这充分说明在这些出现物理性能特征值的成分范围内，熔体中形成化学短程有序结构的能力最强。 (3)某些合金熔体中存在两种化合物结构的化学短程有序结构，它们的热力学稳定性不同，升温过程中在不同温度范围内发生转变，引起电阻率随温度出现两次异常变化。 Ⅱ．本文进行的另一方面主要工作是，以化合物形成合金熔体中发生温度诱导的液—液结构转变为基础，进一步研究了熔体结构转变对Bi-Te合金及Cu-Sn合金凝固行为及凝固组织的影响。发现熔体中的化学短程序对凝固过程及凝固组织有重要的影响，尤其熔体中具有化合物结构的固型原子团簇与凝固时先析化合物相具有部分共格关系，从而降低凝固所需过冷度，促进初生化合物相的形核和生长。而当熔体随温度升高发生结构转变之后，这类原子团簇逐渐消散，使得凝固过冷度增加、初生化合物相显著细化。 论文还就研究中的现象、规律和特征进行了一定的理论分析和讨论。