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金属熔体的黏滞特性及相关物性的研究

孙春静  
【摘要】: 液态金属微观结构的变化将引起熔体敏感物性发生变化,根据熔体的敏感物性变化规律可以揭示其结构变化特征,为合理控制传递熔体结构信息的遗传因子提供科学依据。物性作为熔体结构的宏观表征易于测量和评价,并赋有特殊的物理意义。金属熔体结构及其物理性质的研究在凝聚态物理以及材料科学的应用领域都具有十分重要的意义。 本文采用高温熔体物性测量仪,回转振动式黏度计、同轴圆筒流变仪及液态X射线衍射仪等方法研究了Sb、Bi及合金熔体的密度,In、Sn及合金熔体的黏滞性及Sb、Bi、Pb、Sn熔体的流变行为,揭示了熔体物理性能随温度等外界因素的变化规律,探讨了熔体结构的演变机理。 采用改进的阿基米德方法系统地测试了Sb、Bi及其合金熔体的密度随温度的变化关系。实验结果显示,Sb熔体密度随温度升高成线性变化趋势,与他人文献结果一致。Bi熔体的密度随温度的升高先增大,在熔点以上约39K(310℃左右)时出现最大值:9.9895g/cm~3,随后密度随温度线性减小。与他人文献比较发现,高温区本文的数据与他人结果吻合的较好,然而在熔点附近出现明显的偏离。Sb-Bi合金熔体密度的试验结果表明,合金熔体的高温区密度随温度基本成线性变化,且随Bi百分含量的增加密度增大。值得注意的是合金熔体密度在液相线温度以上大约30~50K的温度范围内出现了类似Bi熔体密度的异常变化。以Sb-Bi合金体系熔体密度的最大值连线在合金液相区绘图,可将原来空白的液相区粗略地分为两部分:结构密实区和结构疏松区。 In、Sn及其合金熔体黏度与温度的变化关系显示,纯金属及合金熔体的黏度具有一个共同的特点——在整个测试温度区间内随温度升高基本上成Arrhenius指数趋势,不同的是黏度曲线不是连续变化的。In熔体的黏度在450~600℃温度范围内明显偏离拟合曲线,这与文献中原子配位数和相关半径的异常变化区间相对应。In熔体黏度的异常转变可能是因为在熔点以上的低温区液态In的结构类似面心立方晶格,随着温度升高转变为无规密堆结构所致。Sn熔体黏度的异常区间出现在400℃和810℃附近,DTA-TG差热分析表明在400℃和800℃出现热效应峰。In_(80)Sn_(20)熔体黏度的不连续变化分别在330℃和800℃附近,升温过程中的DSC在322℃和800℃出现明显的热效应峰。In_(60)Sn_(40)合金熔体黏度在200~250℃的温区内,熔体黏度发生陡降,高温区黏度随温度变化较平缓。In_(60)Sn_(40)合金熔体黏度-温度关系的异常变化区间与液态XRD的相关半径和原子团簇的原子数随温度变化的异常区间基本一致,表明合金熔体微观结构转变是导致黏度发生异常变化的本质原因。In_(50)Sn_(50)合金和In_3Sn_(97)合金熔体黏度的异常温区分别为350℃和750℃左右。通过对Arrhenius公式作对数变换,分别计算了Sn及In-Sn合金不同温区的流团体积和黏流激活能,发现熔体的流团体积和黏流激活能均随温度的升高而减小。将不同合金熔体的黏流激活能和流团体积进行比较,发现In_(50)Sn_(50)合金熔体的流团体积和黏流激活能比其他合金的大。 利用前人的经验公式及本文所得的黏度数据,计算了试验条件下难以精确测得的液态金属重要物性参数,如液态金属的表面张力、熔体扩散系数。 考察了水平永磁场对Sb、Bi及Sb-Bi合金熔体黏度的影响,结果表明,不同磁场条件下Sb、Bi及其合金熔体的黏度随温度成指数递减变化趋势。水平永磁场对金属熔体黏度的影响非常明显,相同温度下的黏度随磁场强度的增加而增大。磁场对熔体黏度的影响是通过熔体中带电粒子作切割磁力线运动时产生洛仑兹力所致。就金属Sb、Bi而言,磁场对Sb熔体的作用更显著。磁场对合金熔体黏度的影响随着按Bi_(80)Sb_(20)、Bi_(60)Sb_(40)、Bi_(40)Sb_(60)、Bi_(20)Sb_(80)的顺序依次增大。建立了磁场条件下黏度随温度变化关系的数学模型。 运用同轴圆筒流变仪研究了Pb、Sb、Bi、Sn金属熔体的流变特性。以牛顿定律为理论依据进行推导,将牛顿流体的判别依据——试验中难以精确测得剪切应力和剪切速率的关系,简化为容易获取的扭矩和转速的关系。结果显示,Pb、Sb熔体在所测的范围内扭矩与转速成良好的线性关系,表明熔体为牛顿流体。而Bi、Sn的扭矩与转速关系在低温区和较高的转速条件下明显偏离线性,表现出一定的非牛顿特性。探索了Sb_(20)Bi_(80)和Sb_(80)Bi_(20)合金熔体的流变性,发现Sb_(20)Bi_(80)熔体具有类似Bi的特征,即在温度较低和转速较高时表现出一定的非牛顿特性;而Sb_(80)Bi_(20)的扭矩与转速在整个测定范围成良好的线性关系。占据合金主要成分的Bi、Sb在Sb_(20)Bi_(80)和Sb_(80)Bi_(20)合金熔体的流变性起了关键性作用。 同时探讨了Pb_(70)Sn_(30)、Pb_(38.1)Sn_(61.9)、Pb_(20)Sn_(80)合金熔体的流变性,发现Pb_(38.1)Sn_(61.9)合金熔体的扭矩与转速关系成较好的线性关系,数值比较稳定。亚共晶及过共晶熔体的扭矩与转速的关系稳定性较差。不同合金熔体的流变特性与其液态结构演变有密切联系。这种现象可能是由于Pb-Sn合金组织中的富Pb和富Sn相在熔化后较大范围内并未完全均匀熔合,尚存在Pb-Pb和Sn-Sn局域同类原子集团。随着温度升高,富Pb和富Sn集团发生重组造成的。 以Bi、Sn熔体流变的试验结果为基础,结合理论分析,建立了剪切作用下金属熔体微观结构流变模型。


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