多元多相合金的热力学描述及其在凝固过程中的应用

【摘要】：科学研究和工业生产实践中所用的金属材料大多数是具有复杂成分的多元多相合金,对这类材料凝固原理及其组织形成的研究有重要的实际意义。能否将凝固模型应用于生产实际,关键就取决于对多元合金凝固组织的模拟是否成熟。本论文主要结合热力学计算技术,对多元多相合金凝固过程中的溶质分凝现象及其对凝固组织和溶质偏析的影响进行了较为深入的研究。 溶质分凝是凝固过程中的重要伴随现象,对凝固过程中的成分偏析及组织形成有着决定性的影响。在多元合金中由于存在复杂的溶质相互作用,用实验相图分析溶质分凝行为并不方便。本文首先从热力学角度出发,建立了溶质分凝因数的热力学计算模型。详细讨论了Al-Cu二元合金和Al-Si-Mg三元合金凝固过程中溶质的分凝行为。结合计算热力学技术,对溶质分凝因数的预测很好地吻合于实验结果。 为了快速提取系统的热力学信息,减少计算时间,应用Levenberg-Marquardt算法进行了相图的计算。Levenberg-Marquardt算法采用目标函数的二阶导数,它能够实现计算精度和收敛速度的较好结合。该方法适合于求解二元以及多元合金中的相平衡问题。 研究了工业中广泛应用的Al-Si-Mg三元合金凝固过程中的溶质分凝行为,确定了该合金凝固过程中溶质分凝因数与固相分数的定量关系。发现分凝因数随固相分数的变化而显著变化,并且远远偏离其二元系中的数值。定量预测了不同凝固条件下Al-Si-Mg合金的凝固路径及共晶分数。其结果与采用二元分凝因数的预测结果偏差较大,而与实验结果接近。 结合溶质分凝的分析,研究了冷却速率对AI-2.06 wt%Si-1.58 wt%Mg合金凝固过程的影响。实验和理论分析均发现,在低的冷却速率下,其凝固过程为:L→L_1+Fcc_Al→L_1+Fcc_Al+Si→L_1+Fcc_Al+Si+Mg_2Si,而在较高的冷却速率下,其凝固过程为:L→L_1+Fcc_Al→L_1+Fcc_Al+Mg_2Si→L_1+Fcc_Al+Si+Mg_2Si。改变凝固速率可以使多元合金的凝固过程按照不同的路径进行,从而达到控制析出相种类的目的。 耦合热力学计算技术,提出了多元合金凝固界面的稳定性判据。以Al-0.34