金屬熔體的黏滯特性及相關(guān)物性的研究.pdf

1、液態(tài)金屬微觀結(jié)構(gòu)的變化將引起熔體敏感物性發(fā)生變化，根據(jù)熔體的敏感物性變化規(guī)律可以揭示其結(jié)構(gòu)變化特征，為合理控制傳遞熔體結(jié)構(gòu)信息的遺傳因子提供科學(xué)依據(jù)。物性作為熔體結(jié)構(gòu)的宏觀表征易于測(cè)量和評(píng)價(jià)，并賦有特殊的物理意義。金屬熔體結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)的研究在凝聚態(tài)物理以及材料科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域都具有十分重要的意義。 本文采用高溫熔體物性測(cè)量?jī)x，回轉(zhuǎn)振動(dòng)式黏度計(jì)、同軸圓筒流變儀及液態(tài)X射線衍射儀等方法研究了Sb、Bi及合金熔體的密度，In、Sn及

2、合金熔體的黏滯性及Sb、Bi、Pb、Sn熔體的流變行為，揭示了熔體物理性能隨溫度等外界因素的變化規(guī)律，探討了熔體結(jié)構(gòu)的演變機(jī)理。 采用改進(jìn)的阿基米德方法系統(tǒng)地測(cè)試了Sb、Bi及其合金熔體的密度隨溫度的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Sb熔體密度隨溫度升高成線性變化趨勢(shì)，與他人文獻(xiàn)結(jié)果一致。Bi熔體的密度隨溫度的升高先增大，在熔點(diǎn)以上約39K(310℃左右)時(shí)出現(xiàn)最大值：9.9895g/cm<'3>，隨后密度隨溫度線性減小。與他人文獻(xiàn)比較

3、發(fā)現(xiàn)，高溫區(qū)本文的數(shù)據(jù)與他人結(jié)果吻合的較好，然而在熔點(diǎn)附近出現(xiàn)明顯的偏離。Sb-Bi合金熔體密度的試驗(yàn)結(jié)果表明，合金熔體的高溫區(qū)密度隨溫度基本成線性變化，且隨Bi百分含量的增加密度增大。值得注意的是合金熔體密度在液相線溫度以上大約30～50K．的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了類似Bi熔體密度的異常變化。以Sb-Bi合金體系熔體密度的最大值連線在合金液相區(qū)繪圖，可將原來空白的液相區(qū)粗略地分為兩部分：結(jié)構(gòu)密實(shí)區(qū)和結(jié)構(gòu)疏松區(qū)。 In、Sn及其合金熔

4、體黏度與溫度的變化關(guān)系顯示，純金屬及合金熔體的黏度具有一個(gè)共同的特點(diǎn)——在整個(gè)測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度升高基本上成Arrhenius指數(shù)趨勢(shì)，不同的是黏度曲線不是連續(xù)變化的。In熔體的黏度在450～600℃溫度范圍內(nèi)明顯偏離擬合曲線，這與文獻(xiàn)中原子配位數(shù)和相關(guān)半徑的異常變化區(qū)間相對(duì)應(yīng)。In熔體黏度的異常轉(zhuǎn)變可能是因?yàn)樵谌埸c(diǎn)以上的低溫區(qū)液態(tài)In的結(jié)構(gòu)類似面心立方晶格，隨著溫度升高轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)密堆結(jié)構(gòu)所致。Sn熔體黏度的異常區(qū)間出現(xiàn)在400℃和8

5、10℃附近，DTA-TG差熱分析表明在400℃和800℃出現(xiàn)熱效應(yīng)峰。In<,80>Sn<,20>熔體黏度的不連續(xù)變化分別在330℃和800℃附近，升溫過程中的DSC在322℃和800℃出現(xiàn)明顯的熱效應(yīng)峰。In<,60>Sn<,40>合金熔體黏度在200～250℃的溫區(qū)內(nèi)，熔體黏度發(fā)生陡降，高溫區(qū)黏度隨溫度變化較平緩。In<,60>Sn<,40>合金熔體黏度．溫度關(guān)系的異常變化區(qū)間與液態(tài)XRD的相關(guān)半徑和原子團(tuán)簇的原子數(shù)隨溫度變化的異常

6、區(qū)間基本一致，表明合金熔體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是導(dǎo)致黏度發(fā)生異常變化的本質(zhì)原因。In<,50>Sn<,50>合金和In<,3>Sn<,97>合金熔體黏度的異常溫區(qū)分別為350℃和750℃左右。通過對(duì)Arrhenius公式作對(duì)數(shù)變換，分別計(jì)算了Sn及In-Sn合金不同溫區(qū)的流團(tuán)體積和黏流激活能，發(fā)現(xiàn)熔體的流團(tuán)體積和黏流激活能均隨溫度的升高而減小。將不同合金熔體的黏流激活能和流團(tuán)體積進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)In<,50>Sn<,50>合金熔體的流團(tuán)體積和黏流

7、激活能比其他合金的大。利用前人的經(jīng)驗(yàn)公式及本文所得的黏度數(shù)據(jù)，計(jì)算了試驗(yàn)條件下難以精確測(cè)得的液態(tài)金屬重要物性參數(shù)，如液態(tài)金屬的表面張力、熔體擴(kuò)散系數(shù)?？疾炝怂接来艌?chǎng)對(duì)Sb、Bi及Sb-Bi合金熔體黏度的影響，結(jié)果表明，不同磁場(chǎng)條件下Sb、Bi及其合金熔體的黏度隨溫度成指數(shù)遞減變化趨勢(shì)。水平永磁場(chǎng)對(duì)金屬熔體黏度的影響非常明顯，相同溫度下的黏度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增大。磁場(chǎng)對(duì)熔體黏度的影響是通過熔體中帶電粒子作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生洛侖茲力所

8、致。就金屬Sb、Bi而言，磁場(chǎng)對(duì)Sb熔體的作用更顯著。磁場(chǎng)對(duì)合金熔體黏度的影響隨著按Bi<,80>Sb<,20>、Bi<,60>Sb<,40>、Bi<,40>Sb<,60>、Bi<,20>Sb<,80>的順序依次增大。建立了磁場(chǎng)條件下黏度隨溫度變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。 運(yùn)用同軸圓筒流變儀研究了Pb、Sb、Bi、Sn金屬熔體的流變特性。以牛頓定律為理論依據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)，將牛頓流體的判別依據(jù)——試驗(yàn)中難以精確測(cè)得剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系，簡(jiǎn)

9、化為容易獲取的扭矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。結(jié)果顯示，Pb、Sb熔體在所測(cè)的范圍內(nèi)扭矩與轉(zhuǎn)速成良好的線性關(guān)系，表明熔體為牛頓流體。而Bi、Sn的扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系在低溫區(qū)和較高的轉(zhuǎn)速條件下明顯偏離線性，表現(xiàn)出一定的非牛頓特性。探索了Sb<,20>Bi<,80>和Sb<,80>Bi<,20>合金熔體的流變性，發(fā)現(xiàn)Sb<,20>Bi<,80>熔體具有類似Bi的特征，即在溫度較低和轉(zhuǎn)速較高時(shí)表現(xiàn)出一定的非牛頓特性；而Sb<,80>Bi<,20>的扭矩與轉(zhuǎn)速在

10、整個(gè)測(cè)定范圍成良好的線性關(guān)系。占據(jù)合金主要成分的Bi、Sb在Sb<,20>Bi<,80>和Sb<,80>Bi<,20>合金熔體的流變性起了關(guān)鍵性作用。 同時(shí)探討了Pb<,70>Sn<,30>、Pb<,38.1>Sn<,61.9>、Pb<,20>Sn<,80>合金熔體的流變性，發(fā)現(xiàn)Pb<,38.1>Sn<,61.9>合金熔體的扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系成較好的線性關(guān)系，數(shù)值比較穩(wěn)定。亞共晶及過共晶熔體的扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系穩(wěn)定性較差。不同合金熔體