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静磁场对纯物质过冷熔体中枝晶生长动力学的影响

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摘要

第一章 绪论

1.1 深过冷熔体中的枝晶生长

1.1.1 液态金属的深过冷

1.1.2 枝晶生长理论的发展

1.1.3 枝晶生长的实验研究

1.2 熔体流动对枝晶生长的作用

1.2.1 熔体流动的分类

1.2.2 对流对枝晶生长的影响

1.3 静磁场在材料科学中的应用

1.3.1 磁场下材料的热处理

1.3.2 磁场取向作用的研究

1.3.3 静磁场控制对流的研究

1.4 选题依据和研究内容

1.4.1 选题依据

1.4.2 研究内容

第二章 实验方案

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.2.1 静磁场下的深过冷实验

2.2.2 温度测量及校准

2.2.3 枝晶生长速率的实验测定

2.2.4 控制熔体中对流的方法

2.3 实验设备

2.3.1 真空非白耗电弧炉熔炼装置

2.3.2 静磁场下深过冷实验装置

2.4 技术路线

第三章 静磁场对纯Ni熔体中枝晶生长动力学的影响

3.1 冷却曲线分析

3.2 宏观固/液界面特征观察

3.2.1 不同过冷度下纯Ni固/液界面特征分析

3.2.2 不同静磁场中纯Ni固/液界面特征分析

3.3 枝晶生长速率测定及理论分析

3.3.1 枝晶生长速率测定

3.3.2 枝晶生长理论分析

3.4 讨论

3.5 本章小结

第四章 静磁场对Ni3Sn2熔体中枝晶生长动力学的影响

4.1 冷却曲线分析

4.2 宏观固/液界面特征观察

4.2.1 不同过冷度下Ni3Sn2固/液界面特征分析

4.2.2 不同静磁场中Ni3Sn2固/液界面特征分析

4.3 枝晶生长速率测定及理论分析

4.3.1 枝晶生长速率测定

4.3.2 枝晶生长理论分析

4.4 讨论

4.5 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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摘要

枝晶生长是凝固过程中常见的晶体生长方式之一,其过程影响着材料的微观组织和力学性能,所以研究其生长动力学有着重要的理论意义和应用价值。凝固过程中,熔体内不可避免地存在着对流作用,经典的LKT/BCT模型已经不能很好地描述枝晶生长过程。静磁场可以有效地抑制熔体流动,从而可以通过改变磁场强度来实现不同的对流环境。因此,有必要对不同静磁场下纯物质过冷熔体中的枝晶生长速率规律进行研究,为枝晶生长理论模型的修正提供可靠的实验数据。
  本文采用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法实现了静磁场中纯Ni和Ni3Sn2熔体的深过冷实验。同时,使用高速摄影机和单色红外测温仪对样品进行原位观测,并通过计算机记录样品表面形貌特征和温度;结合三维动画模拟软件复原熔体的再辉过程,计算出其枝晶生长速率。在此基础上,对两种纯物质熔体的冷却曲线和再辉前沿宏观特征进行了分析,并结合LKT/BCT模型对不同静磁场抑制对流的效果及对其枝晶生长理论的影响进行了研究。获得主要结论如下:
  1.静磁场对纯物质的冷却曲线和再辉前沿宏观特征没有明显影响。纯Ni的再辉前沿宏观上发生了由锯齿状不规则形态向光滑状规则形态的转变,其临界过冷度范围△T*1为171K~192K。Ni3Sn2化合物的再辉图像中未观测到此转变。
  2.随过冷度增大,纯Ni的枝晶生长速率先按幂函数增长,然后线性增长,其临界过冷度△T*2≈192K; Ni3Sn2化合物的枝晶生长速率均按幂函数增长,没有出现突变,即无“无序截留”。
  3.大过冷区域,静磁场对纯Ni的枝晶生长速率没有明显影响;对Ni3Sn2化合物的枝晶生长速率有较小的影响。中低过冷区域,随磁场强度增大,两种纯物质的枝晶生长速率都先逐渐减小,3T时达到最小,然后开始逐渐回升。相对而言,静磁场对Ni3Sn2化合物的枝晶生长速率影响更大。
  4.利用LKT/BCT模型对实验数据的分析表明,随磁场强度增大,纯Ni和Ni3Sn2的热扩散系数DT均先增大后减小,与生长速率变化规律一致,界面动力学系数μ几乎没有变化。
  5.分析认为,对纯物质过冷熔体施加适当的静磁场可有效地抑制熔体中的对流,使其枝晶生长速率减小。当磁场强度超过3T后,热电磁对流效应的增强导致其枝晶生长速率出现回升。

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