纯铁的异质形核行为及其原子尺度结构起源的探讨

发布时间：2020-07-23 19:03

【摘要】：异质形核行为广泛存在于实际生产中,如金属构件的铸造、焊接等过程。这是由于在实际生产过程中,金属熔体内部不可避免的含有大小不同、形态各异、分布不均匀的异质相,如氧化物、金属间化合物和其它高熔点质点(或颗粒)。异质相的存在很大程度上影响着金属熔体凝固过程的形核和生长行为,决定凝固组织分布,进而影响材料的性能。而熔体结构演化作为金属凝固的前驱体,决定着金属凝固的形成和发展方向。因此,为了探索铁熔体的形核过程及其原子尺度结构演化规律,本论文以纯铁为研究对象,借助气悬浮设备研究铁熔体中氧化物的形成对其形核的影响。利用同步辐射高能X射线衍射(HE-XRD)跟踪并研究了冷却过程中熔体结构的演化规律,探索形核过程中的原子尺度结构起源,以及氧化物对熔体结构的调控机理。利用高分辨透射电镜(HRTEM)探讨了异质形核过程中异质相促进形核的难易程度,研究了纯铁在氧化物颗粒上的异质形核行为。主要研究结果如下:(1)溶氧铁液在热循环过程中产生的两种氧化物颗粒,分别为FeO和Fe_3O_4。利用HRTEM观察到的FeO和Fe_3O_4的暴露面分别是(002?)_(FeO),(1?11?)_(FeO)和(2?02)_(Fe3O4),(2?22?)_(Fe3O4),且计算得(002?)_(FeO)和(2?02)_(Fe3O4)分别与{110}_(δ-Fe)和{112}_(δ-Fe)之间的Bramfitt面错配度为15.4%和9.0%,可以作为潜在的形核界面。(2)利用HE-XRD跟踪含异质相铁熔体在冷却过程中的演化规律。结果表明,熔体结构因子S(Q)的第一峰强度随着温度的降低而升高,且峰位向高Q值偏移,熔体的有序程度增加;第二峰的右侧有明显的肩峰,说明体系中存在二十面体短程有序(ISRO)结构。(3)分析熔体结构的最近邻距离(r_1)与配位数(Z)表明,熔体的团簇类型并未发生改变,而熔体的r_1却有明显的变化,且取决于异质相基底的类型。(4)不同熔体和晶体之间的最近邻距离在相同的温度下具有以下规律,r_1(纯铁熔体)≈r_1(含FeO颗粒熔体)r_1(含Fe_3O_4颗粒熔体)r_1(含Al_2O_3熔体)r_1(晶体铁)r_1(Fe晶体)r_1(Fe_3O_4晶体)r_1(Al_2O_3晶体),相应的过冷度(ΔT)顺序为:ΔT_(纯铁)(304oC)ΔT_(含FeO颗粒铁液)(223 ~oC)ΔT_(含Fe3O4颗粒铁液)(75 ~oC)ΔT_(含Al2O3颗粒铁液)(48 ~oC)。(5)观察形核体系的r_1与形核过冷度的关系表明,异质相基底与熔体之间的r_1呈正相关关系;熔体和对应晶体的r_1越接近,其形核过冷度越小,进一步验证了熔体有序结构与固相晶体结构的差异是形核过冷度的原子尺度结构起源。(6)初生相与异质形核基底的错配度在一定程度上也反映了液/固转变的难易程度。该研究结果有利于进一步澄清异质形核过程中熔体结构、新相以及基底原子结构对形核过程的影响机理。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG141
【图文】：

双四面体,四面体,局域,因子

短程有序结构。有二十面体短程有序，最直观的方法是观察结为了解释 Ti-Ni 合金熔体中的肩峰，Lee[66]总结因子，如图 1-1 所示。(a),(b)为四面体团簇，它单元，然而并没有在结构因子曲线的第二峰上发低的是十面体团簇(d)，描述金属玻璃局域结构）(e)，也都没有发现该特征。只有非晶体结构 19 个原子的二十面体(f)，在结构因子的第二峰肩峰出现，不同峰的相对位置也具有确定的关系位与第一峰位的比值为 1.71，肩峰与第一峰位的

曲线,均匀形核,临界晶核,过冷度

G= GV4πr3/3+LS4πr2公式的前一项为系统的驱动力，而后一项为相后减小，存在一个极大值。因此，对 r 求导，并：G*=163πLS3GV2冷度的函数，即 GV=-LVT/Tm，将其代入 1-G*=163πLS3LV2T2化潜热； T——熔体过冷度；Tm——金属熔核的情况下，临界形核功和临界晶核尺寸只与液体中的原子团簇，它们的尺寸随着温度的降 ΔT 又是反比例函数，所以r0- T曲线与r*- T必某金属均质形核的过冷度。

平衡熔点,界面能,钢液,形核

3 夹杂与钢液在 1600 ℃时的界面能与平衡熔点的关ween interfacial energy (inclusion/liquid steel) at 1600 omelting temperature[102]质形核的效率不仅取决于γO/L，还有γO/L，γO/S核剂（N）的错配度程度可以用 Brafitt 的面∑ ( ) ( )3 1=| | × 100%kl)N为固相和形核剂的低指数晶面，uvwS和，d uvw 是晶向 uvw 的晶面间距，θ 为 uvwS时的形核过冷度，用这个参数解释碳氮化物许多研究者都利用该参数去解释异质形核过结了一些异质相对对铁形核的影响，如图 1-4

【参考文献】