人造石材料中骨料与无机胶凝物质之间的相互作用

本文着重介绍水泥胶凝物质与几种不同骨料之间的相互化学作用及接触界面上相和结构的形成,及其在外部介质作用下的变化,力求更加深入研究人道石材料强度理论中微观力学问题,寻求提高人造石材料强度的有效途径和措施,致力于更多轻质、高强、多功能人造石材料及制品的生产和运用于现代化建筑中。     

深过冷Pb-Sb-Sn合金中初生相和共晶组织形成规律研究

研究了Pb-Sb-Sn三元系中不同相区的合金在深过冷条件下凝固组织形成规律. 实验发现, 初生(Pb)和SbSn相均以枝晶方式生长, 而初生(Sb)相主要呈现为多边形块状和板条状小面相. (Pb)和SbSn相之间的亲和力较强, 易于形成二相共晶, 组织形态丰富多彩. (Pb)和(Sb)相则是以离异共晶方式生长. (Sb)和SbSn相不易单独形成二相共晶, 但在三元共晶组织中可以相互依附生长. (Pb)+ (Sb)+SbSn三元共晶组织通常呈层片状生长, 当其体积分数较小时会形成不规则共晶组织. EDS分析表明, 在深过冷快速凝固条件下, 三种初生相的溶质固溶度均得以扩展, 表现出显著的溶质截留效应.     

深过冷条件下三元共晶的快速生长

采用熔融玻璃净化方法进行了大体积Ag_42.4Cu_21.6Sb₃₆三元共晶合金的深过冷实验, 获得最大过冷度为114 K(0.16 T_E). 发现在深过冷非平衡条件下三元共晶由ε(Ag₃Sb), (Sb)和θ(Cu₂Sb)三相组成, 而不是平衡相图中预期的(Ag), (Sb)和θ(Cu₂Sb)相. 小过冷条件下, 合金的凝固组织是初生θ相、(ε+θ)和(ε+Sb)二相共晶以及规则(ε+θ+Sb)三元共晶并存的混合形态. 随着过冷度的增大, 初生相和二相共晶逐渐消失, 而且三元共晶发生从规则共晶向不规则共晶的生长形态转变. 当过冷度超过102 K时, 不规则(ε+θ+Sb)三元共晶成为惟一的组织生长形态. 3个共晶相之间发生的竞争形核与生长是出现复杂生长形态的主要原因. 实验与理论计算结果表明, 金属间化合物θ相是领先形核相.     

蠕墨铸铁凝固过程中的共晶生长模式

研究蠕墨铸铁凝固过程中的共晶生长模式,探索不同共晶生长模式与铸造凝固特性的关系,为蠕墨铸铁件的工艺设计及生产提供供理论依据。     

稳态层片共晶长生模型：I.理论分析

修正了ＪＨ经典模型关于平界面生长假设，建立新的层片共晶生长模型。应用严格的界面曲率数学公式，数值计算界面过冷度普适性方程，获得正确的共晶生长界面形态。并计算了稳态相间距选择极限，表明层片共晶生长存在稳态间距选择范围，随生长速度增大，选择范围越来越尖锐。最小相间距λｍ和ＪＨ及Ｔｒｉｖｅｄｉ模型结果一致，而最大相间距λＭ则不遵循上述经典模型。     

共晶生长磁功能复合材料的研究

该项目采用定向凝固共晶生长的方法,制得了铁磁相MnSb和SmMnSb在微米尺度上以规则定向排列弥散均布于抗磁性Sb基本的磁功能复合材料.并用多种现代化分析手段,系统研究了复合材料的生长行为、晶体学特性和磁性能.     

超声场中Ag-Cu-Sb三元共晶的生长机制

在频率为35 kHz的超声场中实现了三元Ag_42.4Cu_21.6Sb₃₆共晶的液固转变. 凝固过程中合金熔体内部的声场分布表明, 在声波的传播方向上, 随着液固界面自下而上推移, 界面处液相中的声强逐渐升高. 超声场的不均匀性促使(ε +θ +Sb)三元共晶生长形态沿声波传播方向呈现出“三元离异共晶-不规则和规则三元共晶混合组织-规则三元共晶”的区域特征. 在声强最高的区域内, 空化效应引发3个共晶相独立形核, 声流有效抑制了共晶相的协同生长, 组织生长形态为粗大的三元离异共晶. 同时, 声场加速了共晶液固界面前沿的溶质传输, 降低了3个共晶相对溶质元素的固溶程度.     

强磁场对定向凝固Pb-Sn共晶生长影响的初步研究

在10 T强磁场下对Pb-Sn共晶合金沿垂直向上方向进行定向凝固实验,分析了强磁场对共晶生长的影响.实验发现,强磁场下耦合生长的Pb-Sn共晶两相的排列方向明显偏离垂直方向,极端情况下甚至出现近似横向的排列.这种现象的产生与领先相Pb的磁性能相关.     

基于多相场模型的二元合金共晶层片生长方式数值模拟

基于界面场的多相场模型,模拟研究有机合金CBr4-C2Cl6的层片形貌以及初始层片间距和初始过冷度对其形貌的影响.模拟结果表明:随着初始层片间距增大,共晶层片生长方式依次呈现以下形态:规则形态、低对称性震荡、更低对称性震荡、形核及分叉;在等温凝固条件下,初始过冷度越高,共晶层片生长形态越不稳定.     

深过冷Fe82B17Si1共晶合金的再辉及凝固组织特征

在大气中,采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法,使Fe₈₂B₁₇Si₁共晶合金获得了342K(0．238T_E,T_E为共晶温度)的大过冷度．对该合金的冷却再辉曲线及凝固组织研究发现：(1)在6～164K及255～342K过冷度范围内该合金的冷却曲线仅呈现一次再辉,而在174～247K过冷度范围内其冷却曲线则存在两次再辉,三过冷度范围内的凝固组织分别对应于由准规则共晶和复杂规则共晶组成的混合共晶或混合共晶+非规则共晶、完全非规则共晶、初生α(Fe,Si)相+枝晶间非规则共晶;(2)在过冷条件下,该合金的共晶两相α(Fe,Si)及Fe2B相满足促发形核的非互惠原则;(3)该合金非规则共晶出现的特征过冷度△T₁=63K,完全非规则共晶化的特征过冷度△T₂=164K;(4)该合金非平衡状态下的共晶共生区偏向Fe₂B相一边,它与共晶成分线的交点在△T=154K及△T=264K,其谷值约在△T=207K左右．     

深过冷Ni—Si共晶合金中Ni3Si的生长形态

采用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法，使Ｎｉ－Ｓｉ共晶合金获得了２２４Ｋ的大过冷度，对该合金深过冷快速凝固组织的形成机制和小平面相Ｎｉ３Ｓｉ的生长形态的研究发现，在过冷条件下，共晶组织形成之前，往往会生成组成共晶的两相的初生相，随着过冷度的增大，Ｎｉ３Ｓｉ初生相的生长形态由小平面形态向非小平面形态转变，其转变的临界过冷度约为６０Ｋ。     

Al-Si合金快速等轴凝固界面响应函数及组织选择

在快速枝晶及共晶生长理论模型基础上,使用最高界面生长温度判据,建立了共晶合金快速等轴凝固界面响应函数(IRF)模型,分析了Al-Si合金系各种相及组织的竞争生长,绘制了非平衡组织选择图.计算结果与实验结果基本吻合,说明所建立的界面响应函数模型可以较好地预测Al-Si合金等轴凝固过程中的非平衡组织选择及形态演化.     

三元Sb60Ag20Cu20合金中枝晶与共晶的快速生长

采用深过冷方法实现了三元Sb₆₀Ag₂₀Cu₂₀合金的快速凝固, 最大过冷度达到142 K(0.18T_L). 在40~142 K过冷范围内, 合金凝固组织由(Sb), θ (Cu₂Sb)和 ε (Ag₃Sb)相组成. 深过冷扩大了(Sb)相的固溶度, 从而使其点阵发生膨胀, 点阵参数值增大. 初生(Sb)相存在两种生长方式: 小过冷条件下主要以非小面相枝晶形式生长; 大过冷条件下呈现小面相枝晶生长. (Sb)和θ相的晶体结构差异较大, 使合金熔体到达(θ+Sb)共晶线时不易生成(θ +Sb)二相共晶, 而是形成条状θ 相. θ 和 ε 相具有较强的协同生长趋势, 因此易于形成( ε + θ )二相共晶. 另外, 根据微观组织特征和DSC实验结果确定了合金的快速凝固路径.     

基于OpenCL并行流动影响三维共晶生长多相场模拟

基于KKSO三维多元合金共晶多相场模型,研究了OpenCL+GPU软硬件体系结构的高性能计算方法,以CBr_4-C_2Cl_6为例,分别在AMD和NVIDIA 2种异构平台上通过多进程和多线程的并发执行实现了强迫对流下三维共晶组织的演化过程.结果表明:当计算规模相同时,分别在不同的平台上取得了一定的加速比.对并行算法在一定程度上进行优化,与CPU平台上的串行算法相比优化后的并行算法在异构平台上分别达到了20.2倍和23.6倍的加速比,大大提高了计算效率.同时,以其强大的浮点计算能力获取较为准确的模拟结果,达到计算效率和可移植性的双重需求,解决了传统求解相场模型存在的计算量大、效率低、限于定性研究等问题.     

深过冷Fe82B17Si1非规则共晶中Fe2B相的形态演化

在63～342 K过冷度范围内,对Fe82B17Si1合金非规则共晶中Fe2B相的生长形态演化进行了研究.发现:(1)在具有一次再辉的63～164 K及255～342 K过冷度范围内,随过冷度增加Fe2B相由变异的小平面结构逐渐转变为树枝状,进而向具有明显定向特征的树枝状和超细的球状转变,该合金Fe2B相由小平面转变为树枝状的过冷度过渡范围约为63～164 K;(2)在具有两次再辉的174～247 K过冷度范围内,随初生α相含量的增加枝晶间非规则共晶逐渐向离异共晶转变;(3)在63～154K和312～342 K过冷度范围内,该合金非规则共晶中的Fe2B相存在两次粒化现象,这两次粒化对应于不同的非规则共晶形成机制.     

深过冷Fe82B17Sil非规则共晶中Fe2B相的形态演化

在63～342 K过冷度范围内,对Fe₈₂B₁₇Si_l合金非规则共晶中Fe2B相的生长 形态演化进行了研究．发现：(1)在具有一次再辉的63～164 K及255～342 K过冷\r 度范围内,随过冷度增加Fe2B相由变异的小平面结构逐渐转变为树枝状,进而向具 有明显定向特征的树枝状和超细的球状转变,该合金Fe'B相由小平面转变为树枝状 的过冷度过渡范围约为63～164 K;(2)在具有两次再辉的174～247 K过冷度范围 内,随初生a相含量的增加枝晶间非规则共晶逐渐向离异共晶转变;(3)在63～154 K和312～342 K过冷度范围内,该合金非规则共晶中的Fe2B相存在两次粒化现象, 这两次粒化对应于不同的非规则共晶形成机制．     

不同次要相体积分数的亚共晶层-棒转变的多相场模拟

利用KKSO多相场模型,对亚共晶模型合金的层-棒转变过程进行模拟. 结果表明,共晶形态的层-棒转变不是突变而是在一定成分范围内渐变的. 在各向同性界面能条件下,当次要相体积分数远小于1/π时,共晶形态将发生层- -棒转变,该相以棒状形式存在;当次要相体积分数在1/π附近时,层片共晶不完全向棒状共晶转变,且随着次要相体积分数的增大,转变时刻推迟;当次要相的体积分数远大于1/π时,层片状共晶不再向棒状共晶转变. 共晶形态的层-棒转变趋势与初始层片间距有关,模拟结果与实验结果定性一致.     

深过冷Ni-Sn共晶合金凝固组织的演化及非规则共晶的形成

采用熔融玻璃净化配合循环过热方法使 Ni-Sn共晶合金实现了深过冷快速凝固，并对其凝固组织随初始过冷度（ΔΤ）的演化规律进行了研究.发现当ΔΤ<65K时，凝固组织为规则层片状共晶或羽毛状共晶.ΔΤ>65K时，非规则共晶在凝固组织中出现，随ΔΤ的增大，非规则共晶体积分数逐渐增大，并在ΔΤ>140K时，凝固组织完全由非规则共晶组成.利用单相枝晶再辉后的熔断理论，解释了非规则共晶的形成机制.     

共晶铸铁凝固过程的微观模拟

综合热传导方程与过冷形核、生长规律,用显式有限差分法模拟了共晶铸铁的凝固过程。给出了理论冷却曲线、冷却曲线、固相率及单位时间内潜热释放速度之间的关系及实验结果。讨论了铸件壁厚对显微组织及奥氏体/碳化物共晶转变趋势的影响。