磁场对液态铝和固态铁界面微观组织的影响3韩 逸 班春燕 巴启先 王书晗 崔建忠(东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,沈阳 110004)(2004年9月10日收到;2004年11月19日收到修改稿) 研究了直流磁场、交流磁场对液态铝和固态铁界面微观组织的影响,采用金相显微镜、电子探针和x 射线衍射等方法对其扩散层内生成物进行了分析.结果表明,在直流磁场和交流磁场作用下,固态铁界面内形成的扩散层厚度均比无磁场时小;在交流磁场作用下,液态铝和固态铁的界面变得凹凸不平;在垂直于磁场方向上,直流磁场抑制了铝原子和铁原子之间的扩散,交流磁场则促进了扩散;无磁场时固态铁内扩散层中生成的金属间化合物由FeAl 3和Fe 2Al 5组成,直流磁场条件下只有Fe 2Al 5生成,交流磁场作用下由Fe 2Al 5和Fe 4Al 13组成.关键词:磁场,铝,铁,金属间化合物,扩散PACC :8130F ,47653国家重大基础研究发展规划(“973”)项目(批准号:G 1999064905)资助的课题.E -mail :hanyi7742@11引言铝为一种低密度、高韧性的有色金属,其合金一直以质轻、韧性好等优点广泛应用于工业的各个领域,尤其是在航天、航空中更是起着不可忽视的作用.铝与少量过渡金属元素铁组成的合金依旧保持了铝合金密度小的特点,且具有抗氧化、耐腐蚀等优点,近几年来新型轻质耐热铝铁合金的开发,使得铝铁合金成为国内外的研究热点[1].此外,Fe 2Al 系存在丰富的金属间化合物(如FeAl 3,Fe 2Al 5,FeAl 2等),研究这些金属间化合物的形成过程对实际生产,如热浸铝、熔结、液态金属腐蚀等方面有着重要的参考价值[2,3].在液态铝和固态铁界面反应的微观组织分析方面,人们已经做了大量的工作[4—7].但有关磁场对其界面微观组织影响的研究目前尚属空白.近十几年来,在材料凝固过程中施加磁场这一技术得到了快速发展,它已从最初的改进传统的工艺过程发展成为制备新材料、开发新工艺的重要手段.由于该技术具有无污染、操作方便和效果显著等优点,因此受到了人们的广泛重视[8,9].然而,目前这些研究大多停留在如何改善材料组织和性能方面,关于磁场对微观组织影响的研究还开展的很少,而且电磁效应的作用机制以及对微观组织的影响机理更有待于深入研究.本文研究了直流磁场、交流磁场对液态铝和固态铁界面微观组织的影响,采用金相显微镜、电子探针和x 射线衍射等方法对其扩散层内形成的金属间化合物进行了研究.此外,对磁场的作用机制进行了初步的探讨.21实验材料及方法实验所用材料为高纯铝和纯铁丝.实验装置简图如图1所示.它包括磁场处理部分(由磁场电源和螺线管等组成);控制部分(由控温电源和各种控制仪表等组成);工作台及负载部分(由试样和外部支架组成);加热装置(由加热电阻丝、热电偶等组成). 称取高纯铝25g ,放入内径为17mm 的圆柱形石英坩埚中.将石英坩埚置于电阻炉内加热至700℃,保温10min ,用钨丝将铝熔体搅拌均匀,稳定一段时间后将炉温缓慢降至680℃.将一直径为218mm 的纯铁丝沿坩埚轴线插入液态铝中,同时施加强度为0112T 的直流或交流磁场(其中交流磁场频率为10H z ),保温30min 后淬火.作为对照,另一组样品的实验在无磁场条件下进行.将试样沿中部横截面切开,制成金相样品.在德国Leica 2DMR 金相显微镜下第54卷第6期2005年6月100023290Π2005Π54(06)Π2955206物 理 学 报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.54,N o.6,June ,2005ν2005Chin.Phys.S oc.图1 实验装置简图 1—高纯铝,2—纯铁丝,3—石英管,4—热电偶,5—陶瓷管,6—加热电阻丝,7—工作线圈进行显微组织分析;利用日本岛津EPM 2810Q 电子显微镜分别对扩散层及铝基体内进行铝元素和铁元素的面扫描,定性地分析磁场对界面微观组织的影 响,并定量地计算出扩散层内生成物的铝铁原子比;采用日本理学株式会社D ΠM AX2400x 射线衍射仪确定生成的金属间化合物的具体成分.31实验结果与讨论3111金相显微组织的分析结果 图2分别显示了无磁场、直流磁场和交流磁场三种条件下的液态铝和固态铁界面的显微组织.照片中浅色部分是铝,深色部分是铁.从照片中可以看出,三种情况下在固态铁的界面内部均形成了非常明显的扩散层.此外,在交流磁场作用下液态铝和固态铁的界面变的凹凸不平,不如无磁场和直流磁场条件下平滑.这是因为交流磁场在液态铝中产生搅拌和对流[10],加剧对固态铁边界的冲刷致使界面凹凸不平.图2 液态铝和固态铁界面金相组织 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场图3 液态铝和固态铁界面的形貌照片 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场3121电子探针形貌及元素面扫描分析结果312111形貌分析结果无磁场、直流磁场和交流磁场三种条件下的液态铝和固态铁界面的形貌照片如图3所示.照片中亮白色部分是铁基体,黑色部分是铝基体,中间灰色部分是铝在固态铁中生成的扩散层.通过测量扩散层的平均厚度得到无磁场、直流磁场和交流磁场三6592物 理 学 报54卷种条件下分别为175μm 、128μm 和136μm ,由此可见,在直流磁场和交流磁场作用下,固态铁界面内形成的扩散层厚度均比无磁场时小. 根据菲克第一定律J =-D d Cd x,(1)式中J 为扩散流量,D 为扩散系数,d C Πd x 为浓度梯度,负号表示物质的扩散流方向与浓度梯度的方向相反.由此可知,扩散是由粒子浓度梯度引发的粒子定向流动,定向流动的平均速度V d 的方向平行于浓度梯度d C Πd x ,如图4所示V d 应和界面垂直.按金属电子理论,无论在液态还是在固态金属中,原子失去价电子以离子形式存在,即扩散流带正电荷.在图4中,假设磁场B 垂直于纸面向外,这样以平均速度V d 运动的铝离子在磁场中会受到洛伦兹力f =q V d ×B ,(2)式中q 为粒子电量.这样,运动轨迹发生偏转而沿着V dm 方向运动,这样垂直界面方向的速度减小,因此在相同时间内铝离子进入铁中的深度减小,以致扩散层厚度变薄.312121元素面扫描分析结果(1)对固态铁内扩散层进行铝元素面扫描 对上述形貌照片(图3)所示的同一视场作元素图4 磁场使离子扩散速度发生偏离示意简图铝的面扫描,分别得到图5(a ),(b ),(c ).扫描照片的白点对应铝元素,黑点对应铁元素.对比图5中的三幅扫描照片可明显看出,直流磁场作用下扩散层中生成物内的铝含量最低,无磁场较高,交流磁场作用下铝含量最高.这说明在试样的横截面方向上,即垂直于磁场方向上,直流磁场抑制了铝原子往固态铁中的扩散,而交流磁场促进了铝原子往固态铁中的扩散.图5 液态铝和固态铁界面处铝元素的面扫描照片 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场 产生上述现象的原因是,根据菲克第一定律(见(1)式),扩散来源于浓度梯度.在界面处,铝原子通过扩散进入固态铁中后,铁原子也通过扩散进入液态铝中,致使界面附近液体中铝的浓度会降低,浓度梯度减小,扩散则将变缓.直流磁场有抑制液态金属对流的作用[11,12],使得界面处的铝原子更难以得到补充,从而抑制了铝原子继续向固态铁中的扩散;交流磁场会在液态铝中产生搅拌和对流,使得界面处的铝原子能够较快得到补充,这样界面处的铝能保持较高的浓度梯度,从而促进了铝原子向固态铁中的扩散.(2)对铝基体中部和边部进行铝元素面扫描图6和图7为无磁场、直流磁场和交流磁场三种条件下铝基体中部和边部位置处的铝元素面扫描照片.这几幅照片中白点对应铝元素,黑点对应铁元素.综合图6和7可以看出,铁元素大多数分布于铝75926期韩 逸等:磁场对液态铝和固态铁界面微观组织的影响的晶界处,而且无论在铝基体的中部还是边部,铁在液态铝中的浓度均按直流磁场、无磁场、交流磁场次序增加.这显示了在试样的横截面方向上,即垂直于 磁场方向上,直流磁场对铁原子往液态铝中的扩散有着抑制作用,而交流磁场则起着促进作用. 在图5中黑色部分是铁基体,界面下方亮白色 图6 铝基体中部的铁元素面扫描照片 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场图7 铝基体边部的铁元素面扫描照片 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场部分是铝基体,可以看到仅在铁基体边部有有限厚度的扩散层,说明铝原子扩散进入固态铁中的深度有限.而图6和7中无论是铝基体中部还是边部的黑点都很多,说明铁原子可以扩散到整个液态铝中.这是因为液态金属中原子的可动性远远大于固态金属,所以铝原子扩散进入固态铁中的深度就远远小于铁原子扩散进入液态铝的深度.这表明,在相同条件下,液态金属的扩散系数远远大于固态金属的扩散系数.3131电子探针定量分析结果 采用电子探针微区成分分析方法,在铝-铁界面固态铁扩散层内生成物中按如图3(a )所示的箭头所指方向,每隔10μm 的距离测一个点,得到每个点处铝的浓度,由此算出铝含量的平均值,继而算出铝和铁的原子个数比,列于表1.计算得到的数值又一次证明了扩散层内生成物中铝含量按直流磁场、无磁场、交流磁场递增的结论.表1 扩散层内生成物中铝含量的平均值及铝和铁的原子个数比实验条件B =0DCAC铝含量的平均值(质量百分数,%)56.62355.66758.402铝和铁的原子个数比2.712.592.913141x 射线分析结果 为确定固态铁内扩散层中金属间化合物的具体成分,利用x 射线衍射方法对扩散层内生成物进行分析.由于扩散层厚度很薄,生成的金属间化合物数量很少,因此,除Fe 和Al 的峰值很强外,金属间化8592物 理 学 报54卷合物的衍射峰值很弱.在此,为了分析方便,把衍射图谱放大,得到的x 射线衍射图谱如图8所示.图8中,在无磁场、直流磁场和交流磁场三条曲线中均有FeAl 3峰的最强峰(2θ=44172),但此峰同时也是Fe 的最强峰和Al 的次强峰,而且直流磁场和交流磁场两条谱线中没有FeAl 3的次强峰(2θ=43152),由此断定在直流磁场和交流磁场作用下扩散层内生成的金属间化合物中没有FeAl 3.在图8中还可以看出,在无磁场、直流磁场和交流磁场三种条件下,扩散层 图8 固态铁内扩散层中生成物x 射线衍射图谱 (a )无磁场,(b )直流磁场,(c )交流磁场内生成的金属间化合物中均有Fe 2Al 5,不同之处是,在无磁场条件下还有FeAl 3生成,而在交流磁场条件下还有Fe 4Al 13生成.综合X 射线衍射分析结果与电子探针微区成分分析结果可以看出,与无磁场情况相比,交流磁场促进了高铝化合物的生成,而在直流磁场作用下,可能仅生成低铝化合物Fe 2Al 5.41结 论(1)在直流磁场和交流磁场作用下,固态铁界面内形成的扩散层厚度均比无磁场时小.而且在交流磁场作用下,液态铝和固态铁的界面变得凹凸不平,不如无磁场和直流磁场条件下平滑.(2)在垂直于磁场方向上,直流磁场抑制了铝原子和铁原子之间的扩散;交流磁场促进了铝原子和铁原子之间的扩散.(3)无磁场时固态铁内扩散层中生成的金属间化合物由FeAl 3和Fe 2Al 5组成,直流磁场条件下只有Fe 2Al 5生成,交流磁场作用下由Fe 2Al 5和Fe 4Al 13组成.[1]Zhou T ,Huang B Y,Zhou K C and Li W X 2004Rare MetalMater .Eng .33(2)187(in Chinese )[周 涛、黄伯云、周科朝、黎文献2004稀有金属材料与工程33(2)187][2]Heo N H ,K im M T ,Shin J H and K im C Y 2000Sur face CoatingTech .12439[3]Bouayad A ,G erometta Ch ,Belkebir A and Ambari A 2003Mater .Sci .Eng .A 36353[4]Y eremenko V N ,Natanz on Y V and Dybkov V I 1981J .Mater .Sci .16(9)1748[5]Bahadur A and M ohanty O N 1998Mater .Trans .JIM ,32(11)1053[6]Richard R W ,Jones R D ,Clements P D and Clarke H 1994Int .Mater .Rev .39(5)191[7]Bouche K,Barbier F and C oulet A 1998Mater .Sci .Eng .A 249167[8]Z i B T ,Ba Q X ,Cui J Z ,Bai Y G and Na X J 2000Acta Phys .Sin .49(5)1010(in Chinese )[訾炳涛、巴启先、崔建忠、白玉光、那兴杰2000物理学报49(5)1010][9]Ban C Y,Ba Q X ,Cui J Z ,Lu G M and Z i B T 2001Acta Phys .Sin .502028(in Chinese )[班春燕、巴启先、崔建忠、路贵民、訾炳涛2001物理学报502028][10]Zhang W Q ,Y ang Y S ,Zhu Y F ,Liu Q M and Hu Z Q 1998Met .Mater .Trans .A 29406[11]Botton V ,Lehmann P ,Bolcato R ,M oreau R and Haettel R 2001Int .J .H eat Mass Transfer 443345[12]T akuma M ,Y uko I and K azuhiko K 2002Japan Society Appl .Phys .A 41(7A )L81195926期韩 逸等:磁场对液态铝和固态铁界面微观组织的影响0692物 理 学 报54卷E ffect of magnetic field on the interfacial micro structurebetween molten aluminium and solid iron3Han Y i Ban Chun-Y an Ba Qi-X ian W ang Shu-Han Cui Jian-Zhong(The K ey Laboratory o f Electromagnetic Processing o f Materials,Ministry o f Education,Northeastern Univer sity,Shenyang 110004,China)(Received10September2004;revised manuscript received19N ovember2004)AbstractThe effects of DC and AC magnetic fields on the interfacial m icrostructure between m olten alum inium and solid iron were studied,and the intermetallics formed in the diffusion layers were also investigated by means of metallography,electron m icroprobe(EPM)and x2ray diffraction(XRD).Results showed that the diffusion layer in solid iron under DC and AC magnetic fields was thinner than that without magnetic field,and the interface became irregular under AC magnetic field.In the direction perpendicular to the magnetic field,DC magnetic field dam ped the diffusion between alum inium and iron;on the contrary,under AC magnetic field diffusion was enhanced;the diffusion layer in solid iron was mainly com posed of Fe2Al5and FeAl3without magnetic field,while there was only Fe2Al5under DC magnetic field,and Fe2Al5and Fe4Al13under AC magnetic field.K eyw ords:magnetic field,alum inium,iron,intermetallics,diffusionPACC:8130F,47653Project suppored by the S tate K ey Development Program for Basic Research of China(G rant N o.G1999064905).E-mail:hanyi7742@。
第一章习题1 . 液体与固体与气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏？答：（1）液体与固体与气体比较的异同点可用下表说明（2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明：①物质熔化时体积变化、熵变与焓变一般都不大。
金属熔化时典型的体积变化 为35%左右，表明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。
②金属熔化潜热∆约为气化潜热∆的1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。
由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。
2 . 如何理解偶分布函数g(r) 的物理意义？液体的配位数N1、平均原子间距r1各表示什么？答：分布函数g(r) 的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子(处于坐标原子0)距离为r的位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（）的相对偏差。
N1 表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。
r1 表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距。
3．如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个实验例证说明液态金属或合金结构的近程有序（包括拓扑短程序和化学短程序）。
答：（1）长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。
近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团（2）说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证①偶分布函数的特征对于气体，由于其粒子（分子或原子）的统计分布的均匀性，其偶分布函数g(r)在任何位置均相等，呈一条直线g(r)=1。
晶态固体因原子以特定方式周期排列，其g(r)以相应的规律呈分立的若干尖锐峰。
而液体的g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线g(r)=1，表明液体存在短程有序的局域范围，其半径只有几个原子间距大小。
短程有序在非晶态结构中，原子排列没有规律周期性，原子排列从总体上是无规则的，但是，近邻的原子排列是有一定的规律的这就是“短程有序”如在一个单晶体的范围内,在其晶格的一个个局部区域内,质点均呈有序分布,形成许多局限于一个个小区域内的有序结构畴,但在畴与畴之间,亦即从整个晶体范围来看,质点的分布是无序的或只是部分有序的。
再如在非晶质的硅酸盐玻璃内,如果从每一个硅氧四面体的局部区域来看,离子分布的方式和间距都是一致的,这也是一种有序,即只延伸到每个配位四面体的很短的距离内的短程有序。
短程也当然有序，这里所谓的长程有序是相对于玻璃等非晶体说的，因为根据玻璃的晶子学说和X射线衍射图可以知道，玻璃是短程有序长程无序的长程有序指整体性的有序现象。
例如在一个单晶体的范围内,质点的有序分布延伸到整个晶格的全部,亦即从整个晶体范围来看,质点的分布都是有序的在晶体中若每种质点(黑点或圆圈)在整个图形中各自都呈现规律的周期性重复。
把周期重复的点用直线联结起来，可获得平行四边形网格。
可以想像，在三维空间，这种网格将构成空间格子，这种在图形中贯彻始终的规律称为远程规律或长程有序。
晶体中既存在短程有序又存在长程有序。
但在非晶质体如玻璃体中，质点虽然可以是近程有序的(每一黑点为三个圆圈围绕)，但不存在长程有序。
在气体中则既不存在长程有序，也不存在近程有序。
准晶体质点的排列应是长程有序，但不体现周期重复，即不存在格子构造。
点阵为集中反映晶体结构的周期性而引入的一个概念首先考虑一张二维周期性结构的图像。
可在图上任选一点O作为原点。
在图上就可以找到一系列与O点环境完全相同的点子,这一组无限多的点点阵子就构成了点阵。
将图像作一平移,对应于从原点O移至任意阵点的位置，图像仍然不变。
这种不变性表明点阵反映了原结构的平移对称性。
上述的考虑显然可以推广到具有三维周期性结构的无限大晶体。
应该指出，原点位置可以任意选，但得到的点阵却是等同的。
点阵平移矢量L总可以选用三个非共面的基矢A1、A2及A3的组合来表示：L=m A1+n A2+p A3，这里的m、n、p为三个整数。
第四章二元合金相图与合金凝固本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶合金的非平衡凝固与组织包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭的缺陷其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，Al-Mn相图，Al2O3-SiO2二元系相图相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图1.填空1 相律表达式为_____________________________。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有_____________起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为__________________和____________________。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是__________________________，光滑界面晶体的长大机制是_____________________和_____________________。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生____________偏析，用_________________热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈________________状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为________________状。
