本发明专利技术涉及一种实验测定材料凝固过程中固/液界面能的方法及其装置，属于材料制备中凝固技术领域。本发明专利技术的特点：将金属锭用线切割机切成适当尺寸的圆柱型棒材，清洗干净并用电吹风吹干，然后装入匹配的刚玉管中，并固定在拉杆上。将装有试样的拉杆、冷却池及伺服电机装配好，并通过拉杆来调整试样在加热系统中的位置，确保试样棒上部分能够完全熔化。通氩气保护，约过20min后启动加热系统，当炉内温度上升到目标温度后保温一段时间以保证炉内热流稳定。将准备的同种金属球状固体从装置上方放置在金属熔体表面上，待固体表面与熔体相互浸润，再打开伺服抽拉系统，将试样迅速拉下至冷却池中进行淬火，保留固/液界面的形貌。最后通过直接测量得到接触角值，并代入界面张力平衡公式计算求得界面能。该装置实现了快速淬火能够保留试样高温状态下固/液界面的形貌的核心想法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种实验测定材料凝固过程中固/液界面能的方法及其装置，这种方法采用快速淬火液固共存体，保留固/液界面的形貌，有利于室温下直接测量得到接触角值，然后基于界面张力平衡公式计算求得界面张力。属于材料制备中凝固
技术介绍
相与相之间的界面上作用着张力，从热力学上来说，此张力是界面拥有的一份多余能量，称作“界面能”。固液界面能在材料的凝固过程中扮演了重要的角色。一方面，它是液固转变中自由能的一部分，界面能越小，形核半径越小，形核率越大；另一方面，它影响着液固转变中界面的稳定性，界面能越小，稳定性越低，胞晶/枝晶形成的倾向性越大。可见界面能直接决定着凝固的相变热力学过程和组织形态，所以测定固液界面能的大小尤为重要。目前同种材料固/液界面能的大小主要有两种计算方法获得一是依据最近邻假设和随机分布假设(B-W-G模型)的热力学近似；二是通过分子动力学模拟。由于凝固过程的高温特性和测量方法的限制，尚没有直接通过实验方法来测定同种材料凝固过程中固/液界面能。本专利技术也适用于测定异种材料的固/液界面能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种实验测定材料凝固过程中固/液界面能的方法及其装置。本专利技术的目的在于通过快速淬火的方法保留高温时液/固界面的形貌，有利于室温下测量接触角，代入界面张力平衡公式计算求得液/固界面能；突破了凝固过程的高温特性和测量方法的限制，达到了采用实验的方法来测定材料凝固过程中固/液界面能的目的。本专利技术采用如下技术方案(1)将金属锭(铝、铅、铜等)用线切割机切成适当尺寸的圆柱型棒材，清洗干净并用电吹风吹干，然后装入匹配的刚玉管中，并固定在拉杆上。将装有试样的拉杆、冷却池及伺服电机装配好，并通过拉杆来调整试样在加热系统中的位置，确保试样棒上部分能够完全熔化。(2)通氩气保护，约过20min后启动加热系统，当炉内温度上升到目标温度(高于熔点约10°c)后保温一段时间以保证炉内热流稳定。将准备的同种金属球状固体从装置上方放置在金属熔体表面上，待固体表面与熔体相互浸润，再打开伺服抽拉系统，将试样迅速拉至冷却池中进行淬火，从而保留固/液界面的形貌。(3)最后直接测量得到接触角值，代入界面张力平衡公式计算求得界面张力(即界面能)。对于不同材料，根据所要求的冷却速率不同，其冷却池中淬火介质可以分别选用液态金属Ga-In-Sn、油、水等。本专利技术涉及到的界面能公式的相关推导。如图2所示，若金属固体的表面张力为 &，熔融金属的表面张力,二者间的界面张力为Y述。金属固体与熔液间平衡时，在0点处，三者间的平衡关系为权利要求1.一种实验测定材料凝固过程中固/液界面能的方法，其特征是该方法具有以下步骤a.将金属锭用线切割机切成适当尺寸的圆柱型棒材，清洗干净并用电吹风吹干，然后装入匹配的刚玉管中，并固定在拉杆上；将装有试样的拉杆、冷却池及伺服电机装配好， 并通过拉杆来调整试样在加热系统中的位置，确保试样棒上部分能够完全熔化；b.通氩气保护，20min后启动加热系统，当炉内温度上升到高于熔点10°C后保温一段时间以保证炉内热流稳定；将准备的同种金属球状固体从装置上方放置在金属熔体表面，待固体表面与熔体相互浸润，再打开伺服抽拉系统，将试样快速拉至冷却池中进行淬火，从而保留固/液界面的形貌；c.直接测量得到接触角值，代入界面张力平衡公式计算求得界面能。2.按权利要求1所述的实验测定材料凝固过程中固/液界面能的方法，其特征是所述的冷却池中淬火介质选用液态金属Ga-In-Sn、油、水中的一种。3.一种用于权利要求1所述的实验测定材料凝固过程中固/液界面能方法的装置， 其特征是该装置由不锈钢封体(1)、温控系统(6)、加热系统、装样刚玉管(8)、隔热刚玉片 (11)、冷却池(5)、拉杆(12)和伺服电机(13)组成，加热系统包括炉体(2)、电阻发热体(3)、 支撑刚玉管(7)三个部分；在氩气保护气氛中，通过温控系统(6)的反馈来控制电阻发热体 (3)的功率，将试样加热到预期的温度；底部使用隔热刚玉片(9)使其与冷却池(5)分开；装样刚玉管(8)、拉杆(12)、冷却池(5)与伺服电机(13)相连，通过伺服电机(13)控制拉杆的下拉速度来保证试样通过冷却池后淬火效果。全文摘要本专利技术涉及一种实验测定材料凝固过程中固/液界面能的方法及其装置，属于材料制备中凝固
本专利技术的特点将金属锭用线切割机切成适当尺寸的圆柱型棒材，清洗干净并用电吹风吹干，然后装入匹配的刚玉管中，并固定在拉杆上。将装有试样的拉杆、冷却池及伺服电机装配好，并通过拉杆来调整试样在加热系统中的位置，确保试样棒上部分能够完全熔化。通氩气保护，约过20min后启动加热系统，当炉内温度上升到目标温度后保温一段时间以保证炉内热流稳定。将准备的同种金属球状固体从装置上方放置在金属熔体表面上，待固体表面与熔体相互浸润，再打开伺服抽拉系统，将试样迅速拉下至冷却池中进行淬火，保留固/液界面的形貌。最后通过直接测量得到接触角值，并代入界面张力平衡公式计算求得界面能。该装置实现了快速淬火能够保留试样高温状态下固/液界面的形貌的核心想法。文档编号G01N13/02GK102207442SQ20111008395公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日专利技术者任忠鸣, 任维丽, 袁广宙, 邓康, 钟云波 申请人:上海大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种实验测定材料凝固过程中固／液界面能的方法，其特征是该方法具有以下步骤：ａ． 将金属锭用线切割机切成适当尺寸的圆柱型棒材，清洗干净并用电吹风吹干，然后装入匹配的刚玉管中，并固定在拉杆上；将装有试样的拉杆、冷却池及伺服电机装配好，并通过拉杆来调整试样在加热系统中的位置，确保试样棒上部分能够完全熔化；ｂ． 通氩气保护，２０ｍｉｎ后启动加热系统，当炉内温度上升到高于熔点１０℃后保温一段时间以保证炉内热流稳定；将准备的同种金属球状固体从装置上方放置在金属熔体表面，待固体表面与熔体相互浸润，再打开伺服抽拉系统，将试样快速拉至冷却池中进行淬火，从而保留固／液界面的形貌；ｃ． 直接测量得到接触角值，代入界面张力平衡公式计算求得界面能。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：任维丽，袁广宙，任忠鸣，邓康，钟云波，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31
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