Vol,27 No.2 王静松等：电脉冲处理对S-I5%Pb合金凝固组织中枝晶形态的影响 ·195· 中异种原子团簇在某种外界因素作用下发生分 学位， 解，促使平衡向倾向于形成同种原子团簇①-① 溶质元素活度的增加直接影响到元素的溶 和②②方向移动，合金熔体中团簇结构、种类、 质平衡分配系数K.对于Sn-Pb合金，Pb的K小 尺寸及尺寸分布都将发生变化.通过理论分析可 于1，而b元素活度增大使K,增大，使得凝固过 以知道，异种原子构成的原子团簇由于脉冲电场 程中凝固前沿的溶质富集大大减轻，溶质分布发 的作用会减小尺寸甚至解体，而同种原子构成的 生明显变化，树枝晶的一、二次枝晶臂褪化，凝固 原子团簇将会尺寸增大、数量增加，A1-14.6%Si 组织向短杆状和球状组织转化.， 合金液态X射线衍射实验结果表明印，铝硅合金 脉冲处理后凝固组织的细化现象在电脉冲 经过脉冲电场处理后，A-Si原子团簇减少，而 处理研究中普遍存在，由于本研究在具有一定过 A-A1、Si-Si原子团簇增加，这一结果与前面理论 热度的条件下处理再经一段时间的放置后凝固， 分析相吻合， 无法用电磁力、焦耳热等因素加以解释，特别是 2.2熔体结构变化对物理化学性质的影响 通过前面对SnPb合金凝固组织形态变化规律 合金熔体的物理化学性质是随其组成而改 的分析知道，凝固组织的细化过程是伴随着树枝 变的，而熔体的组成又有其相应的构型，即使相 晶向短杆状和球状形态转化进行的，即树枝晶形 同成分的合金熔体其构型也可能由于某些原因 态越明显，晶粒越粗大，随着短杆状和球状形态 而存在较大差异，因此熔体的物理化学性质随其 晶粒数量的增加，晶粒随之细化.与前面分析一 组成变化也是其热力学性质随其构型变化的反 致，溶质活度的提高引起K的变化，使树枝晶枝 映.这说明熔体的物理化学性质、成分及构型之 晶臂褪化，同时枝晶臂间距缩小，其结果是二次 间存在内在联系.依据上述分析可以知道，在 枝晶臂消失，一次枝晶臂很短，凝固组织呈现短 经过脉冲电场处理的合金熔体中，由相同种类原 杆状和球状形态，凝固组织发生明显细化. 子所构成的同种原子团簇（如A-A]和SiSi原子 团簇)数量增加，而由不同种类原子所构成的异 3结论 种原子团簇（如ASi原子团簇）数量减少，表明 (1)Sn-15%Pb合金经电脉冲孕育处理后，随 虽然熔体成分没有变化但是其构型发生了变化， 电压的变化凝固组织呈现柱状树枝晶向短杆状 这些变化必然对合金熔体的物理化学性质产生 和球状转化 明显影响.采用拟化学模型对合金熔体中组元活 (2)在发生形态改变的同时，凝固组织明显细 度在脉冲电场作用前后的变化进行分析发现，合 化，并且其变化规律与树枝晶的褪化及形态转变 金熔体中同种原子团簇的增加，异种原子团簇减 规律一致. 少引起组元活度的提高，进而对熔体组元的化学 位、溶质平衡分配系数等产生明显影响. 参考文献 23疑固组织变化分析 [1]Misra A K.Misra technique applied to solidification of cast iron S-Pb合金的凝固组织发生的发达的树枝晶 Metall Trans,1986,17A:358 褪化并向短杆状和粒状转变，无法用文献[14]的 [2]Nakada M,Shiohara Y,Flemings MC.Modification of solidific- 分析予以解释.基于上述分析，特别是根据文献 ation structures by pulse electric discharging.ISIJ Int,1990,30 (127 [15]可知，不同种原子组成的原子团簇将减小元 [3]Bamak J P,Sprecher A F,Conrad H.Colony (grain)size reduc- 素的活度，而同种原子组成的原子团簇不会影响 tion in eutectic Pb-Sn castings by electropulsing.Seripta Metall 该元素的活度，可以认为经过电脉冲处理后，溶 Mater,1995,32(6)879 质元素的活度将增加，这一变化会引起合金熔体 [4)李建明，李胜利，李劲，等，脉冲放电对Pb-S合金凝固组 织影响的研究.特种铸造及有色合金，1994,6：1 凝固过程的变化，而导致凝固组织的改变， [5]王建中.电脉冲孕育处理技术研究及液态金属团簇结构 熔体中溶质分配系数K。与凝固前沿溶质元 假说：【学位论文】.北京：北京科技大学，1998 素的活度及在固相和液相化学位有关，如下式： [6)王建中，薛庆国，王静松，等.EPM处理Q235钢方坯热加 exp②-D K- 工后组织与性能.北京科技大学学报，1998,20(6)：527 RT (2) [)王静松，薛庆国，王建中，等.脉冲电场对铁液凝固过程石 式中，广，为溶质元素在固相和液相中的活度系 墨化的影响.铸造，2001,50(11)上677 数，(T),(T)为元素在固相和液相中的标准化 [8]Wang JS,Xue QG,Chang G W,et al.Effect of electric pulse onb l V . 7 N 2 O 一 王 静松 等 2 : 电脉 冲处理 对 S 一 n b 5 合 金凝 固组 织 中枝 晶形 态的 影响 1 P % 中异 种 原 子 团簇 在某 种 外 界 因 素 作用 下发 生 分 解 , 促使 平 衡 向倾 向于形 成 同种 原 子 团簇① - ( D 和 ②戒多方 向移 动 , 合金 熔 体 中 团簇 结构 、 种 类 、 尺寸及 尺寸 分 布都将 发生变 化 . 通 过理 论分 析 可 以知道 , 异种 原子 构成 的 原子 团簇 由于 脉 冲 电场 的作用 会减 小 尺寸 甚至 解体 , 而 同种原 子 构成 的 原 子 团簇 将会 尺 寸 增大 、 数 量 增 加 . IA 一 14 .6 % is 合 金 液态 X 射线 衍 射 实验 结 果表 明『l3] , 铝 硅 合 金 经 过脉 冲 电场处 理 后 , A 卜 iS 原子 团簇 减少 , 而 lA 一 l 、 5 -1 51 原子 团簇 增加 , 这一 结果 与 前面 理论 分 析相 吻合 . .2 2 熔体 结 构 变化 对物 理 化 学性 质 的影 响 合 金熔 体 的物 理化 学性 质 是 随其 组成 而 改 变 的 , 而 熔体 的组 成又 有 其相 应 的 构型 , 即 使相 同成 分 的合 金 熔体 其 构 型 也可 能 由于 某 些 原 因 而 存在较 大 差异 , 因此熔 体 的物 理化 学 性质 随其 组 成 变化 也 是 其 热 力 学性 质 随 其 构 型 变 化 的反 映 . 这 说 明熔 体 的物 理 化 学性 质 、 成分 及 构 型之 间存在 内在联 系 「l’] . 依据 上 述分 析 可 以知 道 , 在 经 过脉冲 电场处 理 的合 金熔 体 中 , 由相 同种 类原 子所 构成 的 同种 原子 团簇 ( 如 A l 一 A I 和 is 一 is 原子 团簇 ) 数 量 增加 , 而 由不 同 种类 原 子所 构 成 的异 种 原子 团簇 ( 如 A I 一 is 原 子 团簇 ) 数 量 减 少 , 表 明 虽然 熔体 成 分没 有变 化但 是其 构 型发 生 了变化 , 这 些变化 必 然 对 合 金熔 体 的物 理 化 学 性 质产 生 明显 影 响 . 采用 拟化 学模 型 对合 金熔 体 中组 元活 度在 脉冲 电场作 用前 后 的变 化进 行分 析 发现 , 合 金熔 体 中 同种原 子 团簇 的增加 , 异种 原 子 团簇 减 少 引起 组元 活度 的提 高 , 进 而对 熔体 组 元 的化学 位 、 溶 质 平衡 分 配 系数 等产 生 明显影 响 . .2 3 凝 固组 织变 化 分析 S介 P b 合金 的凝 固组织 发 生 的发达 的树 枝 晶 褪 化并 向短 杆状 和粒 状 转变 , 无法 用文 献 〔l 一 4] 的 分 析予 以解 释 . 基 于上 述 分析 , 特 别是 根 据文 献 【15〕可 知 , 不 同种 原子 组成 的原 子 团簇 将 减 小元 素 的活度 , 而 同种 原子 组成 的原 子 团簇 不会 影 响 该 元素 的活度 , 可 以认 为 经过 电脉 冲处 理 后 , 溶 质元 素 的活 度将 增加 , 这 一 变化 会 引起 合金熔 体 凝 固过 程 的变 化 , 而 导致凝 固组 织 的改 变 . 熔 体 中 溶 质 分 配 系数 0K 与 凝 固前 沿 溶质 元 素 的活度 及在 固相 和液 相 化学位 有 关 ,如 下式 『l6] : 0K 一 令 xP 阵喂岁盆丑: (2) 式 中 , fL ,厂为 溶质 元素 在 固相 和 液相 中 的活 度系 数 , 户缸乃 , 产就乃为 元 素在 固 相和 液相 中 的标准 化 学 位 . 溶 质 元 素 活 度 的 增 加 直接 影 响 到元 素 的溶 质 平衡 分 配 系数 OK . 对 于 S n - P b 合 金 , P b 的 0K 小 于 1 , 而 P b 元 素活 度增 大 使 0K 增 大 , 使 得 凝 固过 程 中凝 固前 沿 的溶质 富 集大 大减 轻 , 溶质 分 布发 生 明显 变化 , 树 枝 晶的一 、 二 次枝 晶臂 褪化 , 凝 固 组 织 向短 杆状 和 球状 组 织转 化 `, .7 ’ 8] . 脉 冲 处 理 后 凝 固 组 织 的细 化 现 象 在 电脉 冲 处 理研 究 中普遍 存 在 . 由于本 研 究在 具有 一 定过 热度 的条件 下处 理再 经一 段 时 间的放 置后 凝 固 , 无法 用 电磁 力 、 焦耳 热 等 因素 加 以解 释 . 特 别 是 通 过前 面 对 S n - P b 合 金凝 固组 织形 态 变 化规 律 的分 析 知道 , 凝 固组 织 的细化 过 程是 伴 随着树 枝 晶 向短杆 状和 球状 形 态转 化进 行 的 , 即树 枝 晶形 态越 明显 , 晶粒 越粗 大 , 随着 短 杆状 和 球 状形 态 晶粒 数 量 的增 加 , 晶粒 随 之细 化 . 与前 面 分析 一 致 , 溶 质 活度 的提 高 引起 0K 的变化 , 使 树枝 晶枝 晶臂 褪 化 , 同时 枝 晶臂 间 距缩 小 , 其 结 果 是二 次 枝 晶臂 消 失 , 一 次枝 晶臂 很短 , 凝 固组 织 呈现 短 杆 状 和 球状 形 态 , 凝 固组织 发 生 明显 细化 . 3 结 论 ( 1) S -n 巧% P b 合 金经 电脉冲 孕 育 处理 后 , 随 电 压 的变 化 凝 固 组织 呈 现 柱 状 树枝 晶 向短 杆状 和球 状 转化 . (2 )在 发 生形 态 改变 的 同时 , 凝 固组织 明显 细 化 , 并且 其变 化 规律 与树 枝晶的褪 化及 形 态转 变 规 律 一 致 . 参 考 文 献 【l ] M is ar A K . M i sr a et e hn i卿 e a P P li e d ot s o lid iif c at ion o f c as t ior n · M d 叨 飞丫. . 5 , 1 9 86 , 17 A : 3 5 8 [ 2 ] N ak ad a M , S h iho ar a Y, F l e m ign s M C · M o d iif e iat o n o f s o lid iif c - at ion s tUT e tur e s by P u l s e e l e e itr o d i s e h a gr in g . I S I J I n t , 1 99 0 , 3 0 ( l ) : 2 7 [ 3 ] B arn ak J P, S p er e h e r A ,F C o nr a d H , C o l o 叮 (『a i n ) s ieZ er d u c - ti on in e ut e ct i c P b 一 S n e as t ign s by e l e ctr op u l s in g . S e ir P t a M e t a ll M a t e r , 19 9 5 , 3 2 ( 6) : 8 7 9 4[ ] 李 建 明 , 李胜 利 , 李劲 , 等 . 脉 冲放 电对 P b 一 sn 合金 凝 固组 织 影响 的研究 . 特 种铸 造及 有色合 金 , 1 994 , :6 1 5[ 〕 王 建 中 . 电脉冲 孕育 处理 技术研 究及 液态 金属 团簇结 构 假 说 : [学 位论 文] . 北 京 : 北京 科技 大学 , 19 98 6[ ] 王 建 中 , 薛庆 国 , 王静 松 , 等 . EP M 处理 Q2 35 钢方 坯热 加 工后 组 织与性 能 . 北京 科技 大学学 报 , 19 98 , 2 0( 6) : 5 27 7l[ 王 静松 , 薛 庆 国 , 王建 中 , 等 . 脉冲 电场 对铁 液凝 固过程石 墨化 的影响 . 铸造 , 2 0 0 1 , 5 0 ( 1 1) : 6 7 7 [8 ] 场址 19 J S , X u e Q G , C h an g G W, e t al . E fe e t o f e l e c itr e P lu s e on