液态金属结构滞后性的测定与模拟

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铸造、焊接和粉末冶金等金属材料的制备过程中都涉及一个凝固相变过程。对这类材料来说,液态金属凝固时的结构和性质是决定其凝固组织和性能的一个重要因素。虽然人们对液态金属熔体的结构进行了大量的研究,但是,国内外的研究主要集中在熔体在一定温度下的结构及其随温度的变化上,未见有温度变化后其结构随时间的变化规律研究。本文主要研究熔体温度变化后,其电阻率、液态微观结构和形核过冷度随时间的变化规律。取得的主要研究结果主要有: 采用四电极法连续升降温和非连续升降温后过热和过冷液态锡的电阻率进行了测定。结果发现温度变化后液态锡的电阻率随保温时间的延长而发生变化。温度快升后,液态锡的电阻率随保温时间的延长而减小,温度快降后,液态锡的电阻率随保温时间的延长而增大。这说明锡熔体结构的变化滞后其温度的变化。在连续升降温过程中,在同一温度下液态锡在升温过程中的电阻率大于其在降温过程中的电阻率,这与温度快变后液态锡电阻率随时间的变化规律是一致的。 在此基础上,运用分子动力学模拟了温度降低后液态金属结构的变化规律。发现温度变化后原子间距的变化亦存在滞后性,但这一滞后时间仅为0.0001微秒,远小于液态金属电阻率随温度变化的滞后时间。这说明,金属液电阻率的滞后性与原子间距的变化无关。 采用过冷度法研究了过热的铋熔体降温后的保温时间与形核过冷度的关系。结果发现,铋的形核过冷度随降温后保温时间的延长而减小。同样得到,液态金属温度变化后其结构不能同步达到其对应温度的平衡状态,而是存在时间的滞后性。根据液态金属原子团尺寸的理论模型确定出液态金属中最大原子团尺寸与温度的关系。从此模型中预测的液态铋中最大原子团尺寸随温度变化舰律符合铋过冷度的变化实验规律。
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