哈尔滨理工大学学士学位论文 型的导热能力，增大热流的导出速率可使凝固界面快速推进，实现液态金属快速凝固。 2. 深过冷法
激冷快速凝固方法是通过提高热流的导出速率实现的。然而由于试样内部热阻的限制，只能在薄膜及小尺寸颗粒中实现。减少凝固过程中的热流导出量是在大尺寸试件中实现快速凝固的唯一方法。 二. 快速凝固的特征 1. 偏析形成倾向减小
随着凝固速率的增大，溶质的分配系数将偏离平衡。总的趋势是，不论溶质的分配系数是K<1还是K>1，实际溶质分配系数总是随着凝固速率的增大向1趋近，导致偏析倾向减小。通常当凝固速率达到1m/s时实际溶质分配系数将明显偏离平衡值。 2. 非平衡相的形成
在快速凝固条件下，平衡相的析出可能被抑制，析出非平衡相的亚稳定相。
3. 细化凝固组织
大的冷却速率不仅可细化枝晶，而且由于形核速率的增大而使晶粒细化。随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小，获得微晶，乃至纳米晶。 4. 微观凝固组织的变化
定向凝固过程中，冷却速率的变化对凝固组织的影响已在前述章节中提及。当达到绝对稳定的凝固条件时，可获得无偏析的凝固组织。除此之外，大的冷却速率可使析出相的结构发生变化。随合金类型与成分的变化，相同成分的合金在不同冷却速率下可获得完全不同的组织。 5. 非晶态的形成
当冷却速率极高时，结晶过程将完全抑制，获得非晶态的固体。玻璃态金属是快速凝固技术应用的成功实例，它不仅具有特殊的力学性能，同时也可获得特殊的物理性质，如超导特性，软磁特性及抗化学腐蚀特性。其中非平衡玻璃作为磁屏蔽材料已得到在工业上的应用。用非晶材料取代硅刚片制作变压器可使其内径大大减小，解决了变压器在特殊条件下使用时的发热问题。非晶态材料已成为材料科学研究的重要前沿领域之一。
1.3铟锡合金的种类
自从德国人赖希(F Reich)和李希特(H Richter)于1863年发现了铟元素，人们便进行了对铟元素的大量研究。铟锡合金的研究也从此开始。根据锡铟元素含量的不同，铟锡合金主要可分为β铟锡合金和γ铟锡合金，其中β铟锡合金中的锡元素含量大约为10%-45%，β铟锡合金的晶格类型为体心正方结构；γ铟锡合金中的锡元素含量大约为75%-85%，γ铟锡合金的晶格
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哈尔滨理工大学学士学位论文 类型为面心立方结构。根据温度的不同，铟锡合金的类型也会相应的变化。如图1-1所示。
图1-1 InSn合金相图
其它元素也会影响铟锡合金的种类，如铟锡合金中会含有少量的Ag，Co ,Cu和Pb等元素。出于对课题研究时间和环境保护的考虑，本课题着重研究无铅的β铟锡系列合金的非平衡组织和稳定性研究。
1.4 合金的快速凝固的方法及传热特点
在金属凝固过程中，凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而重要的影响。
快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。
常规工艺下金属的冷却速度一般不会超过102 ℃/S。例如：大型砂型铸件及铸锭凝固时的冷却速度约为：10-6~10-3 ℃/S；中等铸件及铸锭约为10-3~100 ℃/S；薄壁铸件、压铸件、普通雾化约为100~102 ℃/S。
快速凝固的金属冷却速度一般要达到104~109 ℃/S。经过快速凝固的合金，会出现一系列独特的结构与组织现象。1960年美国加州理工学院Duwez等人采用一种特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金在大于107℃/S的冷却速度下凝固。他们发现，在这样快的冷却速度下，本来是属于共晶系的Cu-Ag合金中，出现了无限固溶的连续固溶体；在Ag-Ge 合金系中，出现了新的
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哈尔滨理工大学学士学位论文 亚稳相；而共晶成分Au-Si (XSi=25%)合金竟然凝固为非晶态的结构，因而可称为金属玻璃。这些发现，在世界物理冶金和材料科学工作者面前展现了一个新的广阔的研究领域。
1.4.1快速凝固方法
通常可通过以下两种途径实现快速凝固 1. 激冷法
该方法的凝固速率由凝固潜热及物理热的导出速率控制。通过提高铸型的导热潜力，增大热流的导出速率可使凝固界面快速推进，实现液态金属快速凝固。 2. 深过冷法
激冷快速凝固方法是通过提高热流的导出速率实现的。然而由于试样内部热阻的限制，只能在薄膜及小尺寸颗粒中实现。减少凝固过程中的热流导出量是在大尺寸试样中实现快速凝固的唯一途径。
1.4.2快速凝固传热特点
目前主要的快速凝固技术(包括离心法雾化在内)，都是通过薄层液态合金与高导热系数的冷衬底之间的紧密相贴来实现极块的导热传热的。由于合金薄膜的顶面与边缘不与冷衬底接触，散热相对来说是很有限的，故问题可简化归纳为单向的传热，其基本的传热方程式（1-1）如下：
?T?T 1-1）??22 （?t?x式中 α—热扩散系数
这一方程的差分形式（1-2）可写作：
(?x)2{Ti?1?[?2]Ti?Ti?1} （1-2） Ti? (?x)2??t'??t式中， Ti-1、Ti 、Ti+1 — 在时间 t 时相距各为Δx的相邻3点的温度，
Ti— i 点在时间 t + Δt的温度。
由上式计算结果可知，影响温度场及冷却速度的最主要因素是：金属/衬底界面状况以及试样金属的厚度。
根据界面传热系数的大小和试样金属的厚度及试样金属的导热系数，可以用准则(hd / λs)的数值来判断何种冷却方式起主导作用。计算表明，对于高导热系数的衬底(如铜、银等)，(hd/λs) >30时，为理想冷却。h为极大，试样及衬底中的温度梯度都较大，界面上无温差存在。(hd/λs)< 0.015时，为牛顿冷却。h非常小，在试样及衬底中的温度梯度都很小，界面上有较大
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哈尔滨理工大学学士学位论文 的温差。30> (hd/λs)>0.015时，为中间冷却方式。式中，h—界面传热系数，d—试样厚度，λs—试样金属导热系数。
在牛顿冷却方式下，当温度处于凝固温度以上时，试样的温度T与时间t 的关系可表达为式（1-3）：
htp( T?TA?(T0?Tb)ex? ) （1-3） ?cpz0式中，ρ—金属密度，T0—液态金属的起始温度， Tb—衬底温度，Cp—金属的比热容。 当t=0时，
(?Th)t?0??(T?T) （1-4） ?t?cpz00b在目前的大部分快速凝固技术中，试样厚度一般为几个微米到几十个
微米，界面传热系数一般为h=10~30w/(cm2℃) 。可见，其散热多属于牛顿冷却方式或靠近牛顿冷却方式的中间冷却方式。
在表面熔化及自淬火方法中，由于界面传热系数很大，故可视为接近理想方式的中间冷却方式，或者就是理想冷却方式。
当在气体或液体介质中以雾化法进行快速冷却凝固时，传热过程决定于雾滴介质界面上的传热系数。介质导热系数及流速增大以及雾滴直径减少，界面传热系数将增大。
1.4.3快速凝固条件下合金的组织与结构特征
合金的组织结构与合金的凝固模式密切相关。而合金的凝固模式主要决定于一定的形核及传热条件下的界面推进速率。典型的快速凝固应属于在很高的界面推进下出现的半界面凝固，或属于无偏析凝固。过冷度对快速凝固模式与合金组织的影响。
根据开始结晶前所达到的过冷度，可分为三种情况：即超快速冷却（hyper-cooling） 临界过冷冷却（critical under cooling）及次快速冷却（hypo-cooling）。在次快速凝固的情况下，凝固前期可按无偏析模式进行，后期温度回升至Tk以上，发生溶质元素再分配和偏析。如果快速冷却达到临界过冷冷却的条件，那么一定成分的合金可发生完全的无偏析凝固。
在某些冷却中，足够大的过冷度还可能促使形成新的亚稳相。如果过冷度更大，则在溶体过冷到玻璃化转化温度Tg时，形核过程还未开始，凝固过程的结果是形成非晶态合金。这可视作超快速凝固的一种特殊情况。
现在，我们可以得到这样的结论：即快速凝固的实质在于通过某种技术手段，使液态合金在很大的冷却速度下达到足够大的过冷度，使凝固过
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