国家自然科学基金委工程与材料科学部
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国家基金重点项目资助建立钢液凝固形核新理论

钢凝固过程对钢的质量有直接影响。凝固过程中非均质形核能增加液-固相变的晶核数目,促进凝固进程,细化凝固组织,增加等轴晶比例,改善凝固组织的均质化程度。非均质形核促进细小等轴晶生成的效果本质上取决于钢液中形核基底与形核相(d-铁或g-铁)之间的界面能,它包括两者之间界面形成新键引起的能量变化、点阵错配引起的能量变化和静电作用(带电粒子重新分布)引起的能量变化。对Fe-C熔体体系,上述三种能量变化中目前只有点阵错配引起的能量变化可通过两者之间晶格错配度的理论计算加以判断,其它两种能量变化仍无法进行理论计算,使得钢凝固过程非均质形核效果的理论预报可靠性受限。

在国家自然科学基金重点项目(50734008)资助下,北京科技大学宋波教授课题组与上海大学翟启杰教授合作,首次利用经验电子理论成功计算了钢液中各种基底和形核相的晶格电子密度,提出了用于判断基底和形核相之间静电作用引起能量变化的特征参量和理论计算方法;同时利用二维点阵错配度理论系统计算了钢中常见的各种化合物质点(基底)与形核相之间的点阵错配度。 

所提出的特征参量可以通过理论计算得出。理论上,越大,基底与形核相之间晶格电子密度差越大,则晶格电子在基底与形核相界面重新分布的趋势越大,晶格电子的迁移率越大,越容易发生非均质形核。反之,越小,基底的非均质形核效果越差。理论研究结果与国内外发表的实验数据符合良好。而经典形核理论认为,形核功越小,越容易发生形核,与实际测试结果差距较大。

该研究成果通过同时考虑基底和形核相之间点阵错配和静电作用引起的界面能量变化,提高了非均质形核技术研究时有效形核质点选取的理论预报精度,同时该成果的应用范围可延伸至高温金属熔体的凝固和固态相变(如钢的奥氏体/铁素体相变)过程,为利用非均质形核技术改善材料组织结构、提高材料性能提供理论依据。

和以往国人做实验验证国外理论不同,该研究所采用的凝固过冷度数据来自文献,由世界各国的不同作者通过实验测定,并通过这些数据来验证所建立的理论。研究经验可以供实验经费缺乏的研究组借鉴。

                    (工程科学一处  朱旺喜 李军 供稿)

 
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