微波对合金的电磁力热效应与微结构力学演化的Sr-CT在线实验与分析

摘要

利用微波技术烧结金属及合金材料，可使材料的微观结构更加细化均匀，从而增强材料的机械性能，是制造高性能新型合金的优异技术，研究微波和金属之间力学作用产生的机理，对进一步揭示微波烧结原理、指导工业生产具有及其深远的意义。本文首先阐明了深入理解微波烧结合金的机制、实现微波制备合金技术可控的关键途径是进行微波烧结金属过程中相关力学机理的研究。为了分析和验证微波烧结中存在的力学作用机制，展开了具备不同电磁学性质的金属的微波烧结同步辐射断层扫描(SR-CT)在线实验，定量分析了烧结动力学参数（烧结颈）的演化过程。结合实验结果，讨论了不同电磁学性质和微观组织形貌对微波烧结金属的力、热驱动效应的作用。本文的研究的主线内容如下:
　　1、首次开展了具有不同电磁学性能的金属单质及其混合物的微波烧结在线实验研究，发现各类金属均出现了迅速又独特的微观组织形貌变化现象，定量统计不同金属烧结颈动力学参数随烧结实验的演化曲线，分析了相关的物质扩散机制。
　　实现了不同电学性质（低电阻金属Al、高电阻金属Ti和Al-Ti混合金属）以及不同磁学性质（抗磁性金属Cu、铁磁性金属Ni和Cu-Ni混合金属）金属及其混合物的微波烧结的SR-CT在线实验研究。通过实验获得的三维微观结构演化图像，发现了具备不同电磁学性质的金属在微波烧结过程中，微观形貌特征的变化存在诸多不同的现象。定量分析动力学参数随烧结时间演化的曲线，提出了不同金属体系的烧结现象特征。
　　2、揭示了金属材料在微波电磁场中的感应涡流对微观结构演化产生的影响，研究了涡流的力效应和热效应对物质扩散和结构运动的作用，结合改进的相场数值模型，对相关机理进行了分析。
　　分析了金属颗粒在微波电磁场作用下生成感应涡电流的机理和强度，构建了涡电流产生力学作用的模型，并在相场模型中引入吸引力作用模型，分析验证了造成Al和Ti在微波烧结前段时期出现烧结颈动力学参数不同的原因。发现涡电流产生的热效应导致金属的物质扩散系数发生改变，造成Al颗粒间烧结颈生长速率减缓、Ti烧结颈生长速率提高的现象，将相场模型中的扩散热力学常量修改为多种扩散机制共同作用的变量，验证了涡流热效应对物质扩散的影响。
　　3、探索了金属材料的磁畴结构和混合金属异质界面结构对微波烧结产生的力、热作用。
　　根据铁磁性Ni金属微结构演化现象和微观动力学参数演化曲线，分析了磁畴结构和微波磁场分量产生热力学驱动力，加速物质扩散速度，导致铁磁性金属的微观结构演化速度更快，并结合增强的多种扩散机制相场模型进行分析验证。提出由于微波中磁场分量的作用，导致具有不同磁性的金属磁化方向相反，使颗粒间产生排斥力作用，并将排斥力模型引入相场模拟中，对力学作用机理分析进行验证。最后在相场动力学方程中加入晶界作用力的修正项，结合多种扩散机制耦合的扩散动力学系数，分析了由于异质界面的存在，和微波产生相互作用，对混合金属烧结产生了力、热效应。
　　本文通过实验观测、理论分析、模拟验证三个方面，研究金属及合金的微波烧结机制。开展了微波烧结具有不同电磁学性质的金属SR-CT在线实验研究，根据相关的微观结构演化特征，分析微波和金属间产生的力、热效应，结合改进的相场数值模型，验证了分析的正确性。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 利用微波新型制备高性能合金的优势与挑战

1．2 微波热处理合金机理研究中的力学难点

1．2．1 力学机理研究是从根本上控制微波制备合金的关键途径

1．2．2 合金在微波制备过程中驱动力产生的机制

1．2．3 在微波驱动力作用下合金微观结构产生的变形演化机制

1．2．4 国内外研究现状

1．3 本领域存在的问题及选题意义

1．4 主要研究内容

参考文献

第2章 金属微波烧结过程中微观结构演化实验研究

2．1 研究方案

2．1．1 研究思路

2．1．2 研究对象

2．1．3 研究方法

2．1．4 研究的微观热动力学特征参量

2．2 不同金属在微波烧结过程中微观结构演化实验结果

2．3 不同金属体系微观结构演化特征对比分析

2．4 本章小结

参考文献

第3章 不同金属在微波场中涡流产生的力热效应

3．1 引言

3．2 基于特征一的金属感应涡流力效应分析

3．2．1 感应涡流的产生机制

3．2．2 感应涡流的力效应作用下微观结构演化机制

3．3 感应涡流力效应对金属微观结构演化影响的模拟讨论

3．4 基于特征二的涡流损耗热效应作用下微观结构演化机制

3．5 感应涡流热效应的模拟讨论

参考文献

第4章 金属微波烧结微结构演化机制的进一步讨论

4．1 引言

4．2 基于特征三和特征四的磁畴对微波烧结力热效应的影响

4．2．1 磁畴对微波烧结的热效应及数值模拟分析

4．2．2 磁畴对微波烧结的力效应及数值模拟

4．3 基于特征五的异质界面对微波烧结力热效应的影响

4．4 本章小结

参考文献

第5章 全文总结与工作展望

5．1 全文总结

5．2 研究工作展望

致谢

博士在读期间发表论文情况