熔体过热条件对SnBi合金凝固组织的影响Word文档下载推荐.docx
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课题的研究结果不仅有助于进一步地认识液态物质结构与性质，同时也为研发新型合金材料、开拓及改进材料加工工艺方法提供了科学依据。
2、本课题研究的主要内容：
选取SnBi40亚共晶合金为研究对象，首先进行合金熔体电阻率的升温及降温实验，分析并探明合金熔体结构及其随温度的变化规律。
其次，将合金快速升温至指定的不同过热温度后，进行长时间的保温，观察合金熔体结构的变化规律。
最后，通过观察对比不同过热温度保温后浇注所得试样金相组织，分析熔体结构突变对合金凝固组织的影响。
。
3、提交的成果：
（1）毕业设计（论文）正文；
（2）实验设计方案与学生实习试验指导书初稿一份；
（3）至少一篇引用的外文文献及其译文；
（4）附不少于10篇主要参考文献的题录及摘要
指导教师（签字）
教研室主任（签字）
批准日期
接受任务书日期
完成日期
接受任务书学生（签字）
摘要
多年来，合金熔体过热处理得到了广泛而深入的研究，结果表明通过适当的熔体过热处理可以显著改善一些合金的组织和性能。
虽然人们将熔体过热对凝固的影响作用归结于熔体结构状态的变化，但其本质及规律并不十分明了。
近年，液态结构转变的发现与研究，为液-固依存关系的认知提供了一个新的契机，同时也避免了工艺探索上的盲目性，但对于熔体结构转变及其对凝固、合金性能影响的规律及本质仍需进一步探索。
本文采用电阻法研究了Sn-40%Bi合金在恒温和升降温过程中熔体结构转变的动力学行为，并运用相变动力学理论和热力学理论对其转变特征、机制与本质进行了理论分析与探讨。
此外，本文通过凝固实验进一步揭示了Sn-Bi合金熔体结构转变与凝固组织之间的联系。
主要内容及结论归纳如下：
主要内容及结论归纳如下
通过对Sn-40%Bi合金在不同恒温温度下熔体结构转变过程的动力学行为进行相变动力学分析，以熔体结构转变为切入点，研究了Sn-40%Bi合金在简单过热处理下凝固行为和凝固组织的变化规律，结果表明熔体液态结构转变是一个不可逆的过程，运用熔体过热工艺来改变合金凝固行为，需要有合适的过热度及相应的保温时间，否则难以达到最佳效果。
一定过热度及相应保温时间所引起的熔体结构转变导致凝固过冷度增大、晶粒明显细化且组织形态也发生改变。
简单过热处理导致凝固组织的细化，其本质是由于熔体结构转变后的更加均匀、无序的熔体在更大的过冷度下凝固。
关键词：
电阻率；
熔体结构转变；
凝固
Abstract
Theoverheatingtreatmentofalloymeltshasbeenwidelystudiedformanyyears,andithasbeenfoundthatthestructuresandpropertiesofsomealloyscouldbeobviouslyimprovedbysuchpropertreatment.Thoughtheeffectofoverheatingtreatmentonsolidificationisoftenascribedtothechangeofthemelt’sstructurestate,itsnatureandrulesarestillunclear.Inrecentyears,thediscoveryandresearchesofliquidstructuretransitionprovidethenewchanceandroadtorecognizetheintrinsicnatureoftheliquid-solidcorrelation.Butthecharacteristicandmechanismofthemeltstructuretransitionanditseffectonsolidificationstillneedtobeexploredfurther.Inaddition,asanexampleofappliedfieldofliquid-solidcorrelations,Sn-Bi-basedalloys,akindoflead-freesolder,werealsoselectedintheinvestigationofthispaper.
Inthispaper,thekineticsoftemperature-inducedliquid-liquidstructuretransition（TI-LLST）processinSn-40%Bimeltwasinvestigatedinisothermalandcontinuousheatingexperimentswithelectricalresistivitymethod.Alsothecharacteristicandmechanismofthetransitionarediscussedusingkinetictheoryofphasetransitionandthermodynamics.Inaddition,therelationshipmeltstructuretransition,wettabilitywasfurtherinvestigatedthroughsolidification.Thecontentsandresultsareshownasfollows:
Usingkinetictheoryofphasetransition,wefindthatthetimeevolutionpatternoftheelectricalresistivitysuggestesthetransitionmechanismofTI-LLSTforSn-40wt%Bimeltingoodaccordancewiththeautocatalyticreactionmodel,fromtheviewpointofmeltstructuretransition,thesolidificationbehaviorsandmorphologiesofSn-40%Bialloyunderdifferentmeltoverheatingtreatmentswerestudiedindetails.Theresultsshowthatthealloysolidificationstructurecouldnotbeeffectivelyimprovedunlessbyproperoverheatingdegreeandholdingtime.Themeltstructuretransitioncausedbydifferentholdingtimeatthesametemperaturehasasignificanteffectonthesolidificationbehaviorandmicrostructure.Thegeneralruleisthattheundercoolingdegreeincreases,thesolidificationmicrostructurebecomesfiner,andtheobviouschangeofmicrostructuremorphologiestakesplacewhensolidifyingfromthemelt-experiencedstructuretransition.Thereasonwhythesolidifiedstructurebecomesfinerwithmeltsuperheatingisthatthemeltexperiencedstructuretransitionbecomesmorehomogeneousanddisorderandneedshigherdegreeofsupercoolingduringsolidification.
Keywords:
Electricalresistivity；
Meltstructuretransition；
Solidification
目录
第一章绪论
1.1液态金属结构
1.1.1液态金属结构的特点
1.1.2液态金属结构的主要研究方法
1.2温度诱导的液-液结构转变
1.3熔体过热处理技术
1.4对Sn-Bi系无铅焊料的认识
1.5本文研究工作的意义及主要研究内容
第二章实验部分
2.1引言
2.2实验流程图
2.3合金制备
2.3.1实验用原材料
2.3.2合金制备过程
2.3.3合金熔炼与过热程序
2.3.4实验中需要考虑的问题及解决的办法
2.4电阻率实验
2.4.1实验用装置
2.4.2实验过程
2.4.3实验中需要考虑的主要问题及解决办法
2.5凝固金相组织观察
2.5.1试验用装置
2.5.2实验过程
2.5.3实验中需要考虑的问题及解决的办法
第三章实验结果及分析
3.1引言
3.2Sn-40％Bi合金熔体升降温实验结果及分析
3.3Sn-40％Bi合金熔体保温实验结果及分析
3.4转变前后过热浇注所得金相组织对比
3.5本章小结
第四章全文总结与展望
4.1研究工作内容概要
4.2主要研究结果及结论
4.3展望
致谢
参考文献
附录A外文文献及翻译
插图清单
图1-1In-Sn80熔体最近邻原子数、原子团簇半径随温度变化…………………
图1-2In-Sn20在不同温度时的偶相关函数………………………………图2-3电阻率测试装置示意图……………………………………………………………图2-4金相组织摄影实验设备………………………………………………………………图3-1Sn-40%Bi升、降温过程的电阻率-温度（ρ-T）曲线………………………………图3-2Sn-40%Bi熔体在600℃和650℃保温时的电阻率-时间曲线…………………图3-3Sn-40%Bi熔体在600℃和650℃保温不同时间的金相组织……………………
表格清单
图2-2a母合金熔炼程序………………………………………………………………
图2-2b合金过热程序…………………………………………………………………
第一章绪论
早在20世纪20年代,人们就发现在化学成分及铸造条件完全相同的情况下,铸铁的力学性能有很大差异,于是法国学者Levi首次提出了铸铁存在遗传性的观点,以此来解释这一实验事实,推动了人们对铸造过程中遗传现象的研究,对材料的制备和凝固理论均产生了深远的影响,并引起了材料学家的高度重视。
在30～50年代的研究中又发现,铝的遗传性当过热8～10℃时便消失;
铋的遗传性当过热20～25℃时消失;
锡的遗传性在过热10～15℃消失。
这些新发现大大激发了人们研究遗传现象与熔体过热之间联系的兴趣,也进一步加深了人们对液态金属结构的认识。
就铸造过程而言,金属材料的获得要经液态到固态的转变过程。
熔融金属或合金的质量是铸件质量的基础,液态金属的结构和品质对金属材料的组织、性能和质量有着直接和重要的影响。
金属或合金的液态结构不仅与金属的种类和合金的成分有关,而且也与熔体的温度以及熔体的热历史有关。
因此,国内外都十分重视对液态金属结构和性质的研究。
随着凝固技术和团簇物理学的发展,人们越来越关注熔体结构对最终凝固组织的影响,对凝固过程的研究逐步延伸到凝固开始前的液态金属结构对凝固组织的影响。
1.1液态金属结构
1.1.1液态金属结构的特点
液态金属的结构是指在液态金属中原子或离子的排列或分布的状态。
物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般均不大。
金属熔化时的体积变化
（多为增大）为2.5%5%左右，最大也不超过6%，表明金属液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。
另一方面，金属熔化潜热
比其气化潜热
小得多，为1/151/30，表明熔化时其内部原子间结合键只有部分被破坏[3]。
金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液态金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。
可以说在熔点（或液相线）附近，液态金属或合金的原子集团内短程有序结构类似于固体，而与气体截然不同。
但需要指出的是，在液-气临界点，液体与气体的结构往往难以分辨，说明接近液-气临界点的结构更接近于气体。
液态金属结构主要有以下几个方面特征：
（1）原子间仍保持较强的结合能，因此原子排列在较小距离内仍具有一定规律性，且其平均原子间距增加不大。
金属固体是由许多晶粒组成的，液体则是由许多原子集团所组成，在原子集团内保持固体的排列特征，而在原子集团之间的结合处则受到很大破坏。
这种仅在原子集团内的有序排列称为近程有序排列。
（2）由于液体中原子热运动的能量较大，每个原子在三维方向都有相邻的原子，经常相互碰撞，交换能量。
在碰撞时，有的原子将一部分能量传给别的原子，而本身的能量降低了。
结果是每时每刻都有一些原子的能量超过原子的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量。
这种能量的不均匀性称为能量起伏。
（3）液体中存在的能量起伏造成每个原子集团内具有较大动能的原子能克服邻近原子的束缚（原子间结合所造成的势垒），除了在集团内产生很强的热运动（产生空位及扩散等）外，还能成簇地脱离原有集团而加入到别的原子集团中，或组成新的原子集团。
因此所有原子集团都处于瞬息万变的状态，时而长大时而变小，时而产生时而消失，此起彼落，犹如在不停顿地游动。
这种结构的瞬息变化称为结构起伏。
（4）当金属中含有第二种原子时，不同原子集团中含有的第二种原子的浓度不尽相同，伴随着原子集团的“游动”，液态金属内出现浓度起伏。
（5）对于实际金属，由于杂质元素和未熔相质点的存在，液态金属除具有上述的近程有序、能量起伏、结构起伏、浓度起伏外，还具有相质点的起伏。
1.1.2液态金属结构的主要研究方法
液态金属结构的研究方法主要分为实验研究和理论研究。
实验研究有直接测试和物性测试，由于本文主要是实验研究，下面就直接测试和物性测试法进行简单的介绍。
（一）直接测试
直接测试液态结构的方法主要有三种：
X射线衍射、中子衍射和电子衍射。
X射线衍射和中子衍射是直接测定液态金属结构最有效的实验手段，电子衍射更适用于测低密度的液体结构，在测液态金属结构时不常用。
将三者进行比较，对液态金属进行的微观结构研究分析，分别是以电子、原子核、电荷密度为散射中心，当散射线束落在靶上且不同原子散射线有相似的幅度相位时，散射波发生干涉，并在靶上形成干涉图像，由衍射强度便可得到原子分布信息，其中最主要的、最直接的信息是原子分布函数的径向分布函数，用来描述液体中平均原子的周围环境。
从本质上说，X射线衍射是由大量原子参与的一种散射现象。
原子在晶面上是呈周期排列的，被它们散射的X射线之间必然存在位相关系，因而在大部分方向上产生相消干涉，只有在仅有的几个方向上产生相长干涉，即形成了衍射束。
电子衍射的原理与X射线衍射原理相似，是以满足布拉格方程作为衍射条件的。
两种衍射技术所得到的衍射花样在几何特征上也大致相似。
但由于二者本身的特性，仍存在一些不同之处：
电子波的波长较短，同样满足布拉格条件时，电子衍射的衍射角较小。
最近有人采用了能量分散式的X射线衍射法，即energy-dipersiveX-raydiffraction（EDXR）。
这种方法多在室温下进行，利用多种颜色具有不同能量的X射线，可以得到X射线光子分布情况，获得高质量的研究数据。
（二）物性测试
液体的性质,包括其内耗、密度、粘度、表面张力、扩散系数、电导率等均与液体的结构因子密切相关。
建立液态结构和性质之间的关系是认识液态本质的有效途径。
（1）内耗技术
内耗可简单地定义为振动的物质其振动会逐渐衰减，这种使能量耗散为热能的现象，称为内耗。
内耗是由力学弛豫引起的，内耗的本质是由于出现了非弹性形变而将弹性振动能耗散为热能。
内耗的最明显的表现是在自由振动的振幅不断衰减，衰减得越快，内耗越大。
内耗是一个结构敏感物理量,在固体材料的晶体结构、缺陷、相变、原子扩散及物理性能的研究中发挥了重要的作用。
2000年，祖方遒等人对强迫振动扭摆内耗仪的探测部位进行了改进，将内耗技术成功用于对液态金属、合金的研究，证明内耗方法同样适用于液态结构的相关研究，并迅速成为一种研究金属熔体结构的新型实验手段。
（2）电阻率的方法
电阻是结构敏感物理量之一。
根据Ziman理论，液态金属的电阻率是结构因子的函数。
通常来说，液态金属的电阻率随温度的升高而增大，成正比关系。
但是当液体结构发生变化时电阻率也会发生有别于一般简单液态金属的反常变化，因此可以通过研究电阻率与温度的关系来间接推测熔体结构的变化，这在缺乏直接的结构测量手段时是非常有用的。
电阻法为我们从电子层次研究液态合金熔体提供了可能，使人们不仅能够从原子角度，而且得以从更加微观的电子角度来研究液态结构的变化情况，通过对电子传输性质的分析来反映和分析物质结构的变化。
并且，和其他热力学手段相比，电阻法能够提供更多的关于短程有序方面的信息。
本论文实验中对液态电阻率的测量，主要采用正反电流技术的直流四电极法精确测量液态物质的电阻率，通过测量、分析电阻率-温度曲线的变化规律来反映液态结构的变化，其原理和实验设备将在第二章中进行详细的论述。
（3）密度方法
与电阻率法相似，可以通过密度的变化来分析液态金属的微观结构。
密度是液态金属的一个最基本的物理性质，而且通过与密度相关的温度的测量还可以得到材料的热扩散系数。
与其它液体测量技术不同，液态金属的熔点较高，密度测量一般要求在高温下进行，由此引出一系列技术问题，如金属样品的氧化，挥发，反应等。
常用的熔体密度测量方法有Archimedean方法、比重法、膨胀计法、最大泡压法、压力计法、液滴法、γ-Ray衰减法、浮力法、密度计法等。
与其它方法相比，密度法可以有效避免高温表面氧化，表面张力和界面反应等的干扰，而且可以进行密度随时间和温度变化的连续测量。
（4）其他方法
金属熔体的粘滞性是液态金属原子迁移能力的一种表现，它反映了原子间结合力的大小，是重要的熔体敏感物理性质之一，金属熔体结构敏感物性的变化是其微观结构改变的宏观表现，从中能得到许多关于液态结构的信息，同时也是重要的铸造工艺参数。
因此，根据金属熔体粘度的变化来揭示液态结构及原子间相互作用的研究方法具有独特的意义和效果，是当前凝聚态物理研究中较为常用的方法之一。
通常液体粘滞性的测量有毛细管法，旋转法，振动法，落球法，拉球法和振动容器法等,但是对于高温熔体的测量，因其高熔点，样品与测量容器的易反应，及熔体与气体的对流的影响因素，限制了测量方法和测量装置的选用。
目前应用较为广泛的方法是振动容器法。
此外，同电阻率一样，热电势率也是反映液体结构特征的重要物性参数，液体成分和微观结构的变化势必会导致其热电势率的变化。
因此，可以通过对液态金属或合金热电势率的测量分析来判断其结构的变化情况。
1.2温度诱导的液-液结构转变
由于物质的状态和温度、压力互为函数，既然压力能够引起液体结构转变，那么温度对液体结构的影响又是如何呢？
近几年来，国内外许多研究证明，随着温度的升高，在液相线以上几XX的温度范围内，也存在着温度诱导液-液结构的不连续转变。
相对于压力诱导的液态结构转变研究来说，温度诱导的金属和合金的液态结构转变研究内容和研究手段更丰富。
图1-1In-Sn80熔体最近邻原子数、原子团簇半径随温度变化
图1-2In-Sn20在不同温度时的偶相关函数
对于单组元液体，例如Pb、Sn、Bi、Au、Ag、Ti等纯金属，通过衍射实验研究发现它们在熔融状态下仍存在部分晶体结构或其它类型原子集团，并且这些有序结构在一定的临界温度区间消散。
山东大学秦敬玉通过对Al和Sn的液态X射线衍射数据的分析，发现Al和Sn的液体结构随温度的变化都存在突变。
2000年山东大学孙民华通过测量Al的熔体粘度，研究了Al熔体粘度随温度的变化规律，发现升、降温过程中Al熔体粘度值均发生突变，但在降温过程中转变存在滞后现象。
2006年边秀房等人利用扭力摆动粘度计对纯Sn、Cu金属熔体进行粘度随温度变化的实验，测出了降温过程中熔体粘度随温度的变化曲线，发现在降温过程中的最后阶段，粘度曲线均出现了与Arrhenius曲线的偏离现象。
该结果表明熔体在液相线之上发生了明显的结构转变。
2000年开始，祖方遒等人对强迫振动扭摆内耗仪的探测部位进行了改进，将内耗技术成功用于对液态结构的研究。
利用内耗技术发现Pb-Sn，Pb-Bi，In-Sn，In-Bi在高于其液相线几XX的温度时的结构发生转变，且其结果已经被DSC等其他试验所验证。
此外，In-Sn80wt%合金液的衍射结果表明，液-液结构转变过程中配位数N1和原子间距r1出现不连续异常变化，如图1-2所示原子团簇半径Rc、团簇原子数Nc及有序度（参量ζ=Rc/r1）转变后期突然下降。
文献中还利用X射线衍射法观察到了合金In80Sn20不连续相变的出现，利用偶熵计算所得的结果显示了熔体的无序度显著改变，也反映了结构相转变的不连续特征，其不同温度时的偶相关函数如图1-3所示。
X-射线衍射实验的结论直接证实了In-Sn合金熔体中温度诱导液-
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