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定向凝固cu-50at.%sn包晶合金组织演化与杨氏模量研究

定向凝固Cu-50at.%Sn包晶合金组织演化与杨氏模量研究

引用

作者：甘露兰州大学

学位级别：硕士

包晶合金作为重要的结构材料和功能材料之一,在生产实践中有着广阔的应用前景。近年来,学者们对包晶合金的凝固进行了大量研究,但主要聚焦于包晶相为高固溶度固溶体相的包晶合金体系,而对于含有低固溶度或无固溶度金属间化合物相的包晶... 详细信息

包晶合金作为重要的结构材料和功能材料之一,在生产实践中有着广阔的应用前景。近年来,学者们对包晶合金的凝固进行了大量研究,但主要聚焦于包晶相为高固溶度固溶体相的包晶合金体系,而对于含有低固溶度或无固溶度金属间化合物相的包晶合金体系的研究还比较匮乏。同时杨氏模量等力学性能的精确测定在金属材料的开发中起着至关重要的作用,而目前的测量方法多为接触性测试,一定程度上影响了测试结果的精度。因此,本文以具有较低固溶度金属间化合物相cusn与cusn的cu-50 at.%sn包晶合金为研究对象,通过定向凝固实验研究了该包晶合金不同凝固条件下的组织演化规律及包晶相cusn的生长行为。并采用布里渊光散射无损检测技术获得了初生相cusn与包晶相cusn的杨氏模量,具体结果如下:观察将生长速度、温度梯度及生长距离作为单一条件变量下的定向凝固组织发现,初生相cusn在整个定向凝固生长区中始终领先生长,而包晶相cusn生长一段距离后不再析出。因此本文聚焦于淬火固液界面的凝固组织随凝固条件改变而产生的变化。生长距离、温度梯度一定时,随着生长速度的增大,初生相cusn经历了胞状→胞/枝状→枝晶状组织转变,cusn相的尺寸与间距均随生长速度的增大而减小;生长速度、生长距离一定时,随着温度梯度的增大,初生相cusn相由块状与枝晶状转变为胞状组织;生长速度、温度梯度一定时,随着生长距离的增大,初生相cusn由块状与胞/枝状转变为胞状组织,且cusn相尺寸发生小幅细化。基于上述实验结果,绘制了关于生长速度、温度梯度及生长距离条件下的显微组织选择图,进一步阐明了凝固条件的改变对cu-50 at.%sn包晶合金显微组织的影响。测量了不同凝固条件下实验所得的初生相cusn与包晶相cusn的尖端距离,以此来分析cusn相的生长行为。研究发现,温度梯度、生长距离一定时,包晶两相尖端距离随生长速度的增大由12.8mm增大至23mm;生长速度、生长距离一定时,包晶两相尖端距离分别随温度梯度的增大由1μm/s下由15.3mm减小至10.7mm及5μm/s下由17.5mm减小至11.3mm;生长速度、温度梯度一定时,包晶两相尖端距离随生长距离的增大由1μm/s下由12.1mm增大至16.4mm及5μm/s下由10.2mm增大至15.3mm。此外,基于低固溶度金属间化合物相的界面前沿溶质分配模型和尖端温度模型解释了包晶相cusn的生长行为。通过对cu-50 at.%sn包晶合金中cusn相和cusn相的纳米压痕实验,分析温度梯度、生长距离一定,不同生长速度下初生相cusn和包晶相cusn的载荷-位移曲线发现,cusn相和cusn相可承载的最大载荷均随着生长速度的增大而增大。采用连续刚度法测得不同生长速度下cusn相和cusn相的杨氏模量结果表明,上述两相的杨氏模量均随生长速度的增大而发生细微变化。平均各生长速度下的测试结果得到cusn相和cusn相的杨氏模量分别为115.12±9.54 GPa和105.4±9.32 GPa。采用长时间静置热稳定成功制备了布里渊光散射试验所需的cusn相和cusn相的单相样品。基于串联多通道Fabry-Pérot干涉仪的布里渊光散射仪对不同方向的单相样品进行非接触性的光学实验,得到了cusn相和cusn相的表面波频移,继而计算两相完整的独立弹性系数矩阵和杨氏模量。计算结果略低于本文及前人研究中使用纳米压痕仪测量所得结果,归因于纳米压痕实验中压头压入样品表面所产生的塑性变形。因此,探索非接触性的布里渊光散射法来测量材料的杨氏模量具有重要意义。

关键词： cu-sn包晶合金定向凝固金属间化合物布里渊光散射杨氏模量

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定向凝固cu-68at.%sn包晶合金组织演化及力学性能研究

定向凝固Cu-68at.%Sn包晶合金组织演化及力学性能研究

引用

作者：张安桥兰州大学

学位级别：硕士

包晶合金是一种重要的结构材料和功能材料。目前对于包晶合金体系的研究大多是针对包晶相为高固溶度的固溶体相,对于包晶相无固溶度或者低固溶度的包晶合金体系相生长特性的研究目前还比较匮乏,然而一些先进的功能材料中包晶相的固溶度... 详细信息

包晶合金是一种重要的结构材料和功能材料。目前对于包晶合金体系的研究大多是针对包晶相为高固溶度的固溶体相,对于包晶相无固溶度或者低固溶度的包晶合金体系相生长特性的研究目前还比较匮乏,然而一些先进的功能材料中包晶相的固溶度范围都非常低。因此,研究包晶相无固溶度或者低固溶度的包晶合金体系对于丰富包晶合金凝固理论,制备具有包晶反应特征的先进功能材料有着重要的理论和实用价值。本文以cu-68at.%sn过包晶合金为研究对象,该合金中初生相cusn和包晶相cusn均为低固溶度的金属间化合物相。通过定向凝固实验研究了不同生长速度下合金的组织演化以及相选择规律,分析了cusn相和cusn相的生长特性及力学性能。中速生长时(5μm/s、10μm/s、20μm/s),包晶相cusn成为动力学稳定相,并首先从液相析出。cusn相和cusn相竞争生长服从最高界面温度假设,根据界面响应函数计算得到的包晶相取代初生相的速度区间为2.1μm/s-33.4μm/s,随着生长速度的增加,相选择遵循以下规律:初生相cusn胞状生长→包晶相cusn枝晶状生长→初生相cusn胞状生长。有别于固溶体相中所发生相取代时的生长行为,cusn相成为动力学稳定相后并非自起始生长界面开始生长,而需要cusn相先生长一段距离。此距离随着生长速度的增加而增加。低固溶度的金属间化合物相cusn和cusn发生相取代需要满足两个条件:首先包晶相生长的界面温度高于初生相生长的界面温度,其次固液界面前沿的液相溶质浓度超过包晶极限C。包晶cusn相取代初生相后呈现出枝晶形貌,用熔融熵ΔS随温度的变化率解释了此现象。腐蚀后发现cusn相有三种亚结构:扇贝状结构、棱柱状结构、纤维状结构,扇贝状结构是cusn相直接从液相析出时形成的,棱柱状结构是扇贝状结构演化来的,纤维状结构通过共晶反应生成。分析载荷-位移曲线发现cusn相和cusn相在纳米压痕实验过程中存在不同程度的蠕变行为,当应变速率为0.1 s时cusn相的载荷-位移曲线上出现位移突进现象。利用连续刚度法技术(CSM)测量得到cusn相的硬度为5.66-6.69GPa,杨氏模量为117.11?3.52 GPa;cusn相的硬度为6.14-6.79 GPa,杨氏模量为105.64?3.5 GPa。cusn相和cusn相的硬度随生长速度的增加而增加,杨氏模量与生长速度无关,相同生长速度下cusn相的硬度高于cusn相但是模量低于cusn相。

关键词： cu-sn包晶合金定向凝固金属间化合物相选择纳米压痕

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