Fe-Ni-B合金深过冷凝固行为与体积随温度变化规律研究

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多元共晶合金的共晶转变机制目前还存在很多未解决的问题,尤其是对非共晶成分合金的共晶转变研究甚少,这不仅限制了人们对多元合金相变机制的理解,也影响了设计新合金的工艺思路。因而,本文理论研究了共晶生长过程,并利用深过冷快速凝固,高速摄影,Matlab图像处理等手段,系统研究Fe-Ni-B合金凝固过程的再辉度、合金成分与再辉速率、界面形态、生长速率、相分数、体积变化和组织形貌之间的关系,以及热处理对Fe38Ni38B24合金组织性能的影响,获得的主要结论如下:在经典理论Jackson-Hunt模型的基础上,推导了含金属间化合物相参与的共晶转变理论模型。明确了经典共晶理论用于含化合物相生长情况的模型使用方法。计算发现,随着生长速率和液相界面浓度起伏次数的增加,共晶层片间距减少。合金固溶度增加,溶质分配系数增大,共晶凝固时生长速率会随之增加;而液相线斜率减小和扩散系数的增大,也会使生长速率增大。研究了再辉度(过冷度)、成分与再辉速率、生长速率的关系。通过分析Fe-Ni-B合金深过冷凝固时的温度曲线和高速摄影照片,发现随再辉度(过冷度)增加,亚共晶合金的再辉速率和生长速率均增大,同一再辉度下随B含量增大,初生相转变的再辉速率和生长速率减小,共晶转变的再辉速率和生长速率增大;对于过共晶合金,增大再辉度和B含量,再辉速率和生长速率均增大,但生长速率与再辉速率的比值随再辉度的增大而减小。揭示了 Fe-Ni-B合金过冷凝固过程中相分数和体积变化的规律。采用冷却曲线基线法计算了不同再辉度下Fe42Ni42B16和Fe44Ni44B12合金凝固过程的相分数,发现随初生相转变再辉度(过冷度)的增加,初生相分数不断增加,并通过格子计数法计算了相分数,以验证冷却曲线基线法的准确性。同时还研究了 Fe-Ni-B合金凝固时样品体积随温度的变化规律,发现随温度降低,体积总体下降。阐明了成分、再辉度以及热处理时间对Fe-Ni-B合金组织与性能的影响。分析深过冷Fe-Ni-B合金的组织形貌发现,随再辉度增加,γ-(Fe,Ni)相由粗大的树枝晶转变为细小的颗粒状,共晶组织由规则片层状转变为非规则颗粒状。硬度测试发现,当成分相同时,硬度随再辉度增加而增加;当再辉度相同时,硬度值随B含量增加而增加。过共晶合金的密度测试发现,随再辉度增加密度逐渐减小;当再辉度相同时,B含量增加密度值减小。对Fe38Ni38B24合金在950℃下热处理10小时发现,随再辉度增加,规则片层组织开始转变为非规则颗粒状。当再辉度为230K时,随保温时间的延长,凝固组织从树枝晶转变为团絮状最后变为颗粒状,显微硬度随保温时间的增加不断降低。
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