合金熔體的黏滯特性研究.pdf

1、對(duì)液體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)識(shí)與許多領(lǐng)域的科技進(jìn)步息息相關(guān)，也越來越引起凝聚態(tài)物理、材料學(xué)、生命科學(xué)、冶金及化學(xué)等領(lǐng)域的共同關(guān)注。作為結(jié)構(gòu)敏感物理量之一，合金熔體的黏度與其結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系。本文將利用高溫熔體黏度儀測(cè)量幾十種合金熔體的黏度，研究這些合金熔體的黏滯特性，為探索合金熔體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)隨溫度變化的普適性規(guī)律做出有益的嘗試。 運(yùn)用回轉(zhuǎn)振動(dòng)式高溫熔體黏度儀測(cè)量了十幾種二元合金熔體的黏度，探討了合金熔體的黏度隨溫度的不連續(xù)變化，并運(yùn)用流體動(dòng)

2、力學(xué)模型和流團(tuán)擴(kuò)散的布朗運(yùn)動(dòng)理論研究結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變及其特征，發(fā)現(xiàn)在這些合金熔體中存在不連續(xù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，表征熔體中不連續(xù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特征的參數(shù)為(η0，ε，df)。合金熔體中的不連續(xù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變具有以下特征：第一，黏度測(cè)試結(jié)果表明，合金熔體中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是可逆的，包括結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)T<,t>、η0和ε在升溫和降溫過程中基本上是一致的；第二，是非連續(xù)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并伴隨著流團(tuán)的兩種突變形式：微觀熱收縮和微觀熱膨脹。同時(shí)給出了相對(duì)完整的Sn-Bi二元合金熔體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變

3、圖。 運(yùn)用回轉(zhuǎn)振動(dòng)式高溫熔體黏度儀測(cè)量了十一種多元合金熔體的黏度，發(fā)現(xiàn)在這些多元合金熔體中存在著與二元合金熔體類似的非連續(xù)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。即：黏度的Arrhenius圖由一些間斷的直線構(gòu)成，對(duì)于每條直線溫區(qū)，黏度服從Arrhenius定律：η=η0e<'ε/RT>，其中的η0、ε在同一直線溫區(qū)內(nèi)為與溫度無關(guān)、但與熔體性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)，這種非連續(xù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的特征可以用參數(shù)(η0，ε,df)進(jìn)行表征。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，給出了合金熔體中三

4、個(gè)溫區(qū)的概念模型：模糊溫區(qū)：T>T<,x>，(T<,x>---模糊溫區(qū)與Arrhenius溫區(qū)的交界點(diǎn)溫度)，當(dāng)溫度高于T<,x>時(shí)，熔體內(nèi)部原子熱運(yùn)動(dòng)劇烈，以致于該溫區(qū)內(nèi)黏度數(shù)據(jù)點(diǎn)上下跳動(dòng)，這種跳動(dòng)可能是由于材料物理性質(zhì)的變化引起的，被認(rèn)為是模糊的現(xiàn)象，故稱為“模糊溫區(qū)”； Arrhenius溫區(qū)：T<,x>-T<,1>，(T<,1>--液相線溫度)，Arrhenius溫區(qū)又可分為兩種情況，第一，在該溫區(qū)內(nèi)，合金熔體的黏度隨溫度的變化

5、呈指數(shù)規(guī)律，符合Arrhenius定律，第二，在該溫區(qū)內(nèi)，合金熔體的黏度-溫度關(guān)系圖線由一些間斷的直線構(gòu)成，在每個(gè)間斷的直線溫區(qū)內(nèi)，熔體黏度隨溫度的變化呈指數(shù)規(guī)律，符合Arrhenius定律；過冷區(qū)：T，熔體冷卻到液相線以下，進(jìn)入過冷區(qū)。 本文選擇了對(duì)工業(yè)及對(duì)新型材料合成有參考價(jià)值的Al-Mg合金為對(duì)象開展了其黏度與成分及溫度關(guān)系的測(cè)量，并結(jié)合其液態(tài)結(jié)構(gòu)，從微集團(tuán)的形成與變化的角度對(duì)黏度值的變化進(jìn)行了討論。發(fā)現(xiàn)黏度隨

6、著含鎂量的增加而增加。當(dāng)鎂含量低于10％時(shí)，黏度的增加是波動(dòng)的、不明顯的。當(dāng)鎂含量達(dá)到10％時(shí)，黏度突然增加。并且，與流動(dòng)單元相關(guān)的活化能的變化與黏度的變化是一致的。 運(yùn)用二元合金熔體黏度模型分別對(duì)Bi-Sb合金、Sn-Bi合金系統(tǒng)的黏度進(jìn)行了計(jì)算，并將其與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)對(duì)于Sn-Bi合金系統(tǒng)，根據(jù)Iida-Ueda-Morita模型、Kozlov模型和Kaptay模型計(jì)算得出的黏度數(shù)據(jù)與其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在數(shù)值上吻合得比較好，

7、但根據(jù)模型所計(jì)算的超額黏度的符號(hào)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的超額黏度的符號(hào)是相反的，這也從另一個(gè)方面說明了Sn-Bi合金是一種比較特殊的共晶合金；而對(duì)于Bi-Sb合金，則用Iida-Ueda-Morita模型和Kozlov模型計(jì)算得出的理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得比較好。從各種模型的計(jì)算結(jié)果來看，黏度不能夠僅僅用熱力學(xué)性質(zhì)闡明，原子尺寸、組元質(zhì)量、原子間相互作用、鍵型、電負(fù)性等都是重要的影響因素。本文嘗試用簡(jiǎn)單的等式η<,alloy>=η<,Sb>X<,S