外磁场对定向凝固枝晶组织形貌的影响

在外磁场对定向凝固枝晶组织形貌的影响研究中，徐益民和张伟强两位学者探讨了外加稳恒横向磁场对合金定向凝固过程中枝晶组织形貌的影响。主要通过改变外加磁场的强度和固液界面移动速度，研究了这些参数如何影响合金凝固后枝晶一次臂间距的变化。实验选取了Al-4.0%Cu和Al-11%Si两种合金作为研究对象，通过水平定向凝固的实验方法，采用不同的牵引速度和磁场条件制备了多组试样，并对试样进行金相分析，测量枝晶一次臂间距，并绘制相应的变化曲线图。 实验结果表明，在外加磁场作用下，枝晶一次臂间距随着外磁场强度的增加而出现震荡波动增大的现象。这种现象的产生是由于热电磁流体动力学效应（TEHHD）和电磁制动效应（MHD）共同作用的结果。热电磁流体动力学效应是外磁场与热电流复合产生的效应，它可以推动溶质运动，形成热电磁流体速度场；而电磁制动效应则是在外加磁场与液相对流速度场、热电磁流体速度场复合作用下，产生抑制流体运动的效果，其制动力与磁场强度的平方成正比。 研究发现，在特定的凝固条件下，TEHHD和MHD哪一个发挥主要作用及其控制条件的确定，是实际应用外磁场控制金属凝固过程的关键问题。此外，对于TEHHD与MHD的交互作用是否存在的相对稳定阶段，以便于人为控制结晶组织形貌，也需要进一步的研究和验证。 实验方法中，将Al-4.0%Cu和Al-11%Si合金加工成特定尺寸的试样，并装在石英坩埚中，然后将其置于水平定向凝固装置上。通过加热系统熔融试样后，利用调速装置牵引凝固系统水平移动，使试样经历降温冷却过程。在这个过程中，施加横向稳恒磁场，并通过控制水平牵引速度和外加磁场强度来制备不同条件下的试样。通过金相分析，测量了一次臂间距，并绘制了其随外磁场强度和水平牵引速度变化的关系图。 实验结果显示，对于Al-4.0%Cu合金，在牵引速度较小时，一次臂间距随外加磁场的增大先增大后减小，出现极大值和极小值交替的现象。在牵引速度较大时，一次臂间距的震荡波动更为明显，总体上随外磁场强度增大而增大，但增大过程是反复波动的。对于Al-11%Si合金，也有类似的现象，但具体的变化规律会因牵引速度的不同而有所区别。 通过这一研究，可以为利用外加磁场来控制金属凝固过程的热量、质量、动量传输以及液态金属成型提供科学依据。这对于提高材料性能、改善制造工艺具有重要意义。同时，这项研究也揭示了在金属凝固过程中，温度梯度、热电能差及热电效应之间的相互作用，以及它们如何影响合金的凝固形貌和结构，为今后材料科学与工程的研究和应用提供了新的视角和实验数据。