亚共晶和过共晶合金的非平衡共晶转变

Eutectic alloys, especially for hypoeutectic and hypereutectic alloys, are widely used in industrial productions. Solidifications of hypoeutectic and hypereutectic alloys include two closely related transitions, i.e. primary and eutectic solidifications. However, the classical solidification theory mainly focused on the alloy with eutectic composition, without considering the primary solidification, so that the theories cannot be applied to the off-eutectic alloys, and thus leading to the lack of progress in eutectic solidification theory over a long period. On this basis, this project will mainly investigate the evolutions of the morphology and growth velocity of solidification interface as a function of undercooling by means of high undercooling and rapid solidification method. And then by fast-quench at a large undercooling, the effects of the alloy composition and two undercoolings(for primary and eutectic solidifications) on non-equilibrium eutectic transition of the off-eutectic alloys will be studied. Meanwhile, the mechanisms and models of lamellar eutectic and anomalous eutectic will be explored. The study will reveal the non-equilibrium solidification mechanisms of off-eutectic alloys in depth, and improve the theory of eutectic and multi-phase solidification in polycrystalline materials.

共晶合金在工业生产中应用非常广泛，尤其是亚共晶和过共晶成分合金，此类合金凝固中包含初生相析出和共晶相转变两个密切关联的过程。以往凝固理论研究大都基于共晶成分合金，未考虑初生相的影响，其成果无法直接用于非共晶成分合金，致使共晶合金凝固理论长期进展缓慢。本项目主要通过深过冷快速凝固等技术研究非共晶成分合金的凝固界面形态、迁移速率随过冷度的变化关系，采用大过冷度快淬技术，研究合金成分和两个转变过冷度对此类合金的非平衡共晶转变过程影响，探索该合金凝固过程的片层共晶和非规则共晶组织的形成机制，并建立相关物理模型。该研究能深入揭示非共晶成分合金的非平衡凝固机理，拓展共晶凝固理论，促进多元多相合金凝固理论的发展。

本项目围绕非共晶成分的共晶转变机制研究目标，主要开展了非共晶成分Ni-B，Fe-B，Al-Si等合金的凝固过程，非晶合金制备及晶化过程，熔体过热处理模型，格子计数法测相分数判据模型，非晶态与晶态材料比热测试与分析等研究工作，主要创新有：发现了Ni-B合金非晶晶化和凝固过程相析出顺序相似的规律，从非晶晶化过程确定了Ni-B合金中会出现的部分亚稳相：发现了再辉速率与凝固速率的近似关系；发现从亚共晶到过共晶合金，在同一过冷度下，共晶成分的生长速率最小，亚共晶方向和过共晶方向的生长速率都会增大；研究过共晶Fe-21at.%B合金的组织发现，金属固溶体相随凝固过冷度增大原子混乱度增加，而金属间化合物相原子混乱度不变，层错和晶界增多，这表明金属固溶体相靠原子混乱度存储凝固时产生的残余能量，金属间化合物相靠晶界存储能量。研究不同过冷度下的Al-70%Si，Al-80%Si合金的凝固过程，发现随过冷度增加，凝固界面由片状Si变成等轴晶Si；观察到所有样品起始凝固都是从一点开始，随后生长过程中形核在界面持续发生，只是随着时间推移形核率逐渐下降；生长过程中发现枝晶靠拢现象。对Al-80%Si合金加不同量RE元素，使初生硅急剧细化过冷度ΔT1和生长方式转变过冷度ΔT2同时减小。提出了从DSC曲线计算相变热的等价零潜热基线法模型，采用这个模型能更准确的给出考虑相变前后比热变化的基线方程，准确计算相变热。在此模型基础上研究了过热处理时间对金属凝固潜热的影响，发现过热处理时间越长，凝固释放潜热越大。根据实验数据建立的过热处理时间对潜热的影响模型ΔHt=ΔH0-k/(t-t0)。提出了格子计数法测量计算相分数的方法和判据，并获得实验验证。研究了纯Se、Ge4Se96、Ge7.6Se92.6、Ge20Sb15Se65玻璃的比热，晶化热、软化点，热膨胀系数等物理参数。提出有关比热的预测模型方法。通过热力学计算获得了玻璃的理想玻璃转变温度T0和Kauzmann温度Tk。发现在低浓度范围Tk随Ge含量增加而增大。