磁场对铸态铝基二元合金晶体学和微观组织的影响

摘要

本文在无磁场和强磁场下以非定向的方式凝固了过共晶Al-3.31wt.％Fe、过包晶Al-1.36wt.％Zr和过共晶Al-95.54wt.％Zn合金，在无磁场和普通直流磁场下半连续铸造了匀晶Al-9.8wt％Zn和亚共晶Al-0.24wt％Fe合金。从实验和理论的角度，充分利用EBSD(Electron Backscattered Diffraction)技术详细研究了磁场对这些合金的晶体学和微观组织的影响。
　　无磁场时，分别考察了在Al-3.31 wt.％Fe、Al-1.36wt.％Zr和Al-95.54wt.％Zn合金凝固中形成的初生Al3Fe、Al3Zr和αZn固溶体相的晶体学特征。对于初生Al3Fe晶体，它们呈棒状并且拥有两个晶体学择优延伸方向（<010>或<011>）。在这些晶体中还发现了混合型和Ⅰ型孪晶（本文已经确定了它们的完整孪生要素）。Ⅰ型孪晶的形成使晶体发生了弯曲。此外，初生Al3Fe晶体具有单斜或三斜柱的形貌。对于单斜柱，在延伸方向上其晶体学面确定为(100)和(001);而对于三斜柱，包裹它的晶体学面为{001}，{101｝和{111}。孪晶的形成与在晶体生长过程中暴露于熔体中的这些小面可能发生的层错有关。对于初生Al3Zr晶体，它们呈层片状并显示出两种形状的纵截面:八边形（小尺寸）和四边形（大尺寸）。其中，包裹小尺寸初生晶体的晶体学面为{001}，{101}和{111}，而包裹大尺寸的只有{001}和{101}。此外，还在枝晶状的晶体中发现了含有两个变体的混合型孪晶（本文已经确定了它们的完整孪生要素）。片状形貌是由{001}面的低粗糙度导致的低迁移速率所引起的，而大尺寸晶体中的{111}面的消失则是由其高粗糙度所导致的高迁移率所造成的。孪晶的形成是点阵切变加上局部原子层错并伴随局部原子重置的结果。对于初生αZn固溶体晶体，它们呈枝晶状，并且是由一个沿<0001>方向生长的短主干轴和沿<10-10>方向生长的六个长二次枝晶臂构成。其枝晶形貌的形成与固液界面能各向异性有关。
　　施加磁场对以上三种初生相的晶体学特点影响很小，但对它们的析出行为却产生了重要影响。匀强磁场通过诱发的磁粘滞阻力趋于消除初生Al3Fe晶体的重力偏析，而正梯度磁场则通过诱发的磁化力使它们朝磁感应强度最大位置的方向发生了迁移并在试样的另一端形成了新的偏析。然而，对于初生Al3Zr晶体，由于其密度很大，磁场诱发的磁化力不足以阻碍其下沉，因此它们的分布受磁场的影响很小-大部分聚集在样品的下部。由磁各向异性所诱发的磁力矩趋于使顺磁性初生Al3Fe和位于沉积层中的Al3Zr晶体发生旋转，从而在磁场方向上形成强烈的择优晶体学取向。然而，长棒和枝晶状的Al3Zr晶体则分别会受到重力和枝晶与主干择优取向不一致的干扰。此外，磁场还能够直接或间接地诱发初生Al3Fe晶体的轴向分叉、横向裂纹及形核数的增加。其中，分又是热电磁力诱发的，裂纹是Al3Fe晶体与Al基体之间的收缩系数差造成的，形核数的增加则与晶体分离、磁化能和溶质扩散的抑制有关。对于沉积层中的初生Al3Zr晶体，锆元素含量的增加弱化了它们在磁场方向上的排列趋势，这是由于晶体析出量的增加导致了它们之间的相互作用。对于初生αZn固溶体相，它们在磁场中的分布规律类似于初生Al3Fe相，而排列规律类似于初生Al3Zr相。在匀强磁场下，它们趋于在样品中均匀分布并且以长轴平行于磁场方向的排列。但是，初生αZn固溶体相的晶体学取向规律与前两者不同-没有确切的晶体学方向出现在磁场方向上，但其<0001>总是垂直于磁场方向（它们在垂直于磁场方向的面上任意取向），这与Zn的抗磁性质有关。
　　在半连续铸造过程中，普通直流磁场把Al-9.8wt％Zn合金中由等轴晶和柱状晶构成的组织转变成羽毛状晶，而把Al-0.24wt.％Fe合金中的柱状晶转变成层片状孪晶。此外，这两种组织转变均伴随着生长方向从<100>到<110>的改变，从而在两种合金中形成了强烈的晶体学织构和CSLΣ3晶界。这些现象与磁场所诱发的Lorentz力所造成的固液界面凝固条件的改变有关。
　　本文考察了在铝合金凝固过程中施加磁场后其对合金的晶体学和微观组织的影响，在实验和理论上丰富了材料电磁处理(Electromagnetic Processing ofMaterials，简称EPM)领域的知识，这一工作具有重要的理论价值和技术意义。本文通过磁场来控制铝合金组织中晶体的比重偏析和织构化的实验结果为实际材料处理技术提供了一定的指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 材料电磁过程概述

1．1．1 电磁场的发展

1．1．2 材料电磁过程的发展

1．2 电磁场的功能

1．3 电磁场在材料制备过程中的应用

1．3．1 普通直流磁场

1．3．2 强磁场

1．3．3 交流磁场

1．3．4 组合磁场

1．3．5 脉冲磁场

1．4 本文研究的目的和主要内容

第2章 晶体学取向及EBSD技术

2．1 晶体取向的研究

2．1．1 晶体取向

2．1．2 织构的表示方法

2．1．3 取向差

2．1．4 孪生

2．1．5 重位点阵

2．2 EBSD技术概述

2．2．1 EBSD的发展

2．2．2 EBSD的组成及工作原理

2．2．3 EBSD的应用

2．2．4 EBSD样品的准备

第3章 铝基二元合金中初生相的晶体学特征研究

3．1 引言

3．2 实验装置与工艺

3．2．1 实验装置

3．2．2 实验合金熔配

3．2．3 实验方法

3．2．4 实验结果检测及分析

3．3 实验结果及分析与讨论

3．3．1 初生Al3Fe相的晶体学特征

3．3．2 初生Al3Zr相的晶体学特征

3．3．3 初生αZn固溶体相的晶体学特征

3．4 小结

第4章 强磁场下铝基二元合金凝固过程中初生相的析出行为

4．1 引言

4．2 强磁场实验装置与工艺

4．2．1 实验装置

4．2．2 实验合金熔配

4．2．3 实验方法

4．2．4 实验结果检测及分析

4．3 实验结果

4．3．1 初生Al3Fe相的析出行为

4．3．2 初生Al3Zr相的析出行为

4．3．3 初生αZn固溶体相的析出行为

4．4 分析与讨论

4．4．1 匀强磁场作用下Lorentz力引起的磁粘滞阻力

4．4．2 梯度强磁场作用下的“迁移”磁化力

4．4．3 匀强磁场作用下的“取向”磁化力

4．4．4 强磁场对初生Al3Fe相的影响机理

4．4．5 匀磁场对初生Al3Zr相的影响机理

4．4．6 强磁场对初生αZn固溶体相的影响机理

4．5 小结

4．5．1 初生Al3Fe相

4．5．2 初生Al3Zr相

4．5．3 初生αZn固溶体相

第5章 普通直流磁场下铝基二元合金半连续铸造过程中的组织转变

5．1 引言

5．2 铝合金半连续铸造实验装置与工艺

5．2．1 实验装置

5．2．2 实验合金

5．2．3 实验合金工艺流程

5．2．4 实验结果检测及分析

5．3 实验结果

5．3．1 Al-9．8wt．％Zn合金

5．3．2 Al-0．24wt．％Fe合金

5．4 分析与讨论

5．4．1 无磁场时晶体的生长

5．4．2 施加直流磁场时晶体的生长

5．5 小结

第6章 结论

6．1 晶体学特征

6．2 强磁场的影响

6．3 普通直流磁场的影响

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

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