强磁场下金属熔体凝固过程中的过渡态现象研究

在前期工作中发现金属熔体凝固过程中存在过渡态现象。过渡态是金属熔体接近液相线时液态结构发生明显变化的状态，蕴含液固相变初期的结构演化过程，提供金属凝固过程中熔体由液态结构向固态结构转变的信息。本项目在此基础上，研究强磁场作用下金属熔体凝固过程中的过渡态现象，根据金属熔体在过渡态区间的黏滞性行为及扩散行为，推导液态金属在强磁场作用下由液态向固态转变过程中的结构演化规律，分析强磁场在液固相变过程中所起到的作用，揭示强磁场影响熔体结构及凝固曲线的物理本质。研究结果将有助于了解强磁场在金属凝固相变过程中的作用本质，揭示凝固过程中的微观结构演化行为，为凝固理论提供新思路，对于合理利用强磁场控制凝固过程、开发新材料具有重要的理论指导意义。

本项目应用磁场下高温液态扭转式粘度仪、 磁场下自制DTA实验设备、磁场下自制扩散偶研究了金属单质与合金熔体在高温下粘度随温度和磁场的变化关系、测试了纯金属Bi、Al以及Al-Cu合金在强磁场下的DTA曲线、研究了磁场下Al-Cu、Al-Ag扩散棒液固界面扩散机制与凝固微观组织。此外研究了在过渡态区间施加磁场对金属凝固组织结构，热力学性质以及晶粒取向的影响。通过对实验结果的分析与讨论以及对金属凝固组织的研究与观察，首次发现金属熔体构型熵与活化能之间的关系，给出熔体粘度偏离Arrhenius方程的原因，建立模型，很好地解决了金属熔体粘度在高温及低温区间偏离Arrhenius的问题；首次给出磁场对金属熔体粘度影响原因，建立模型，推导出粘度与磁场强度之间的关系，揭示了磁场对粘度影响本质以及其与熔体中有效电子数之间的关系；研究了强磁场下金属熔体凝固DTA曲线，分析了强磁场影响形核率及其形核速度，首次提出磁场对液固表面自由能的影响是改变凝固温度以及形核与长大的根本原因；实验研究了磁场下扩散偶凝固组织与扩散速度，结果发现磁场对扩散速度影响不明显，但是对扩散后的微观组织结构有明显影响；首次利用密封玻璃管等小型的冷却曲线测量装置对Sn、Bi和Sn43Bi57的冷却曲线进行测量，分别在过渡态区间以及液态区间施加磁场，研究过渡态对凝固组织以及晶粒取向等的影响。在研究金属熔体液态性质及凝固过程中，注意到凝固产物的不同，并对非晶及纳米材料做了一定研究。给出了非晶形成能力及稳定性特征参数与错配熵特征值。