磁场作用下的金属凝固研究进展

磁场作用下的金属凝固已成为金属材料基础研究和开发制备新技术的重要领域.综述了交变/旋转磁场、直流磁场作用下金属凝固的研究历史及现状,运用电磁学及金属凝固原理,揭示了磁场对凝固组织形貌及凝固过程产生的影响及主要机制,并对以后的理论研究工作提出了建议.     

静磁场下热电磁效应及其对凝固组织的影响

由于塞贝克效应,当施加一个温度梯度时,在凝固界面将会产生一个热电流。在磁场下定向凝固过程中热电流和静磁场相互作用将会产生一个显著的热电磁力。此磁力将会诱发各种现象,比如液体搅拌、固相运动以及固相受力。由于在金属的凝固过程中常常存在温度梯度,这些效应将会普遍存在。在较小和适度的磁场下热电磁力将促进液体的流动,在较强的磁场下其将抑制液体的流动。另外,热电磁流有多尺度效应,即尺度越小,抑制液体流动所需的磁场越高。至今,已经完成了大量涉及多种合金的实验,所有的实验结果均表明在凝固前沿和糊状区均存在热电磁流。热电磁流动显著地影响凝固过程中微观和宏观偏析、凝固组织以及糊状区晶界结构。热电磁流动的方向以及相应的偏析可以通过改变磁场的方向而被控制。另一方面,作用于固相的热电磁力也将显著地影响固相凝固组织,表现为固相所受的热电磁力导致枝晶的断裂、枝晶碎片的运动和柱状晶-等轴晶转变等。近年来,同步辐射X射线成像技术被应用于实时观测在横向磁场下定向凝固过程中枝晶的生长行为,观察在磁场下枝晶发生断裂和枝晶碎片沿一定方向运动的行为,这进一步证实了磁场下热电磁效应在凝固过程中显著地影响凝固组织。     

热流逸效应下不同截面形状微通道的流导特性分析

热流逸真空泵利用其内部微通道结构产生的热流逸效应来工作,故其本身也存在流导。本文建立了几种典型截面形状长微通道和短微通道的流导计算模型,进而分析了流导随努森数、温差及微通道特征尺寸变化的规律。结果表明,微通道在过渡流区域的流导比在自由分子流区域的大2~4个数量级;短微通道的流导性能优异长微通道的;绝大多数情况下,截面形状的对称性越强则其流导性能越好;在自由分子流区域,截面形状对流导的影响不大,但在过渡流区域,不同截面形状的流导差异显著。可见,应尽可能将热流逸真空泵设计在过渡流区域工作,且应优先采用截面形状对称性强的短微通道结构,但需要综合考虑努森数、温差和微通道特征尺寸之间的相互协同与制约。     

热流逸效应下不同截面形状微通道的流导特性分析北大核心CSCD

热流逸真空泵利用其内部微通道结构产生的热流逸效应来工作,故其本身也存在流导。本文建立了几种典型截面形状长微通道和短微通道的流导计算模型,进而分析了流导随努森数、温差及微通道特征尺寸变化的规律。结果表明,微通道在过渡流区域的流导比在自由分子流区域的大2~4个数量级;短微通道的流导性能优异长微通道的;绝大多数情况下,截面形状的对称性越强则其流导性能越好;在自由分子流区域,截面形状对流导的影响不大,但在过渡流区域,不同截面形状的流导差异显著。可见,应尽可能将热流逸真空泵设计在过渡流区域工作,且应优先采用截面形状对称性强的短微通道结构,但需要综合考虑努森数、温差和微通道特征尺寸之间的相互协同与制约。     

磁场作用下铝合金凝固过程的电阻变化

为了确定磁场对铝合金凝固过程的影响,利用双电桥测试了Al-21%Cu、Al-22Si合金分别在无磁场、直流磁场和交流磁场作用下从液态到固态的电阻变化.分析了Al-Cu合金与Al-Si合金电阻-温度曲线的差别,研究了磁场对合金凝固过程中液、固相线温度及微观结构的影响.结果表明,Al-21%Cu合金的电阻-温度曲线呈单调下降趋势,且有两个明显的转折点,而Al-22%Si合金的电阻-温度曲线不再是单调下降,两个转折点也很不明显,在直流磁场作用下,Al-21%Cu、Al-22%Si合金的液相线、固相线温度均有所降低,在交流磁场作用下,两种铝合金的液、固相线温度均有所升高.在Al-Si合金凝固过程中施加外磁场时,抑制了初生β-Si的生成.     

在磁场作用下悬臂梁的随机振动

<正>1引言随机振动已经成为现代应用力学中的一个重要分支。在自然界与实际工程中,存在很多可以诱发结构系统随机振动的根源,如大气湍流、噪声、路面不平整度以及地震地面运动等,关于在随机激励作用下结构的振动计算、疲劳强度设计、可靠性、噪声与隔振以及随机振动实验等一系列的动力学问题,已经成为人们研究的课题之一,并取得了一定的研究成果[1-6]。但对于处在电磁场和变形场耦合场作用下构件的随机振动研究还不多见。本文基于悬臂梁这一简单结构,第一振型占有振动能量的绝大部分,将磁场作用下的悬臂梁的磁弹性随机振动问题简化为广义单自由度随机振动问题。最后得到悬臂梁的     

磁场作用下磁流变液剪切性能的实验分析

本文研究了磁流变液的力学性能,制备了羰基铁粉体积分数为20%的硅油基磁流变液,观察了磁流变液在磁场作用下的微观变化,测试了磁流变液的剪切性能。实验表明,无磁场作用下,磁流变液为牛顿流体;在磁场作用下,随着剪切速率的增加,剪切应力趋于稳定,表观粘度呈现指数式下降,磁流变液具有剪切稀化效应,符合广义Bingham模型。磁流变液剪切应力和外加电流的依赖关系为:在电流较小时,剪切应力表现为指数增长,指数值约为1.5;随着外加电流的增大,剪切应力表现为线性增长,最终达到稳定值。     

磁场干涉下锌黄铜自配副干摩擦学特性的研究

室温下采用改进的MPV-1500型摩擦试验机,研究锌黄铜自配副的磁场干摩擦学特性和磁场干涉机理。结果表明:磁场的施加和增大加剧了抗磁性锌黄铜的摩擦和磨损,增大了摩擦面的粗糙度,降低了摩擦面的氧元素含量,主要氧化物为Cu64O;随着磁场的增大,锌黄铜的磨损率和摩擦副的摩擦因数均有增大趋势,欲克服磁场对抗磁性锌黄铜干摩擦学特性的不利影响,可在其背面添置铁磁性材料;配副材料选配、对摩面的相对尺寸以及装卡装置的磁性均可影响实验研究结果。     

不同热负荷下微通道冷凝器的运行特性

以R404A为制冷剂,对冷库内不同热负荷条件下的微通道冷凝器的特性及对制冷系统COP的影响进行了研究,并将其与常规冷凝器的特性以及制冷系统的COP进行比较。结果表明,在一定的的制冷剂充注量下,微通道冷凝器的出口压力随着热负荷的增大而增大,但是其进出口温度基本保持不变;在制冷系统中,和常规的冷凝器制冷系统相比,微通道冷凝器制冷系统具有更小的进出口温度,并且进出口温差也小,同时COP相应地高出50%。     

微生物与磁场作用下管线钢的腐蚀行为研究进展

随着埋地年限的推移,目前已被大量应用于实际管道工程的X80钢等高强度管线钢开始逐批面临着腐蚀的危害.工地常采用的漏磁检测等现代技术在施工后难免会残留剩余磁场,与土壤中微生物和腐蚀性离子等因素一起形成了复杂的腐蚀体系.微生物和磁场作为工地上常见的腐蚀因子,对管道的腐蚀行为有着不同程度的影响.土壤中不同类型的细菌对埋地管线钢的腐蚀机理和腐蚀程度不同,最常见的两种微生物——好氧菌铁细菌(IOB)及厌氧菌硫酸盐还原菌(SRB)对腐蚀影响较为突出,而目前研究学者对IOB的腐蚀机理认识趋于统一,对于SRB的腐蚀机理却有多种假设.人工磁场、漏磁检测等技术已成为新时代的产物,而当前却鲜有针对磁场在工程实际中的相关研究,磁场与微生物共存时的研究也仍处于初期阶段.学术界已通过大量实验研究了SRB与IOB对钢材的腐蚀行为,证实了微生物加速金属腐蚀的假设,同时SRB与IOB共存时,二者的协同作用进一步加剧了金属腐蚀.磁场不仅单方面对金属腐蚀有影响,在微生物存在的情况下,亦对微生物的活性有抑制作用,但在一定的磁场范围内又可通过钢材表面电化学行为及介质内离子流动改变生物膜或钢材表面的特性,进而起到抑制腐蚀的作用.综合已有研究可知,磁场、微生物共存时的腐蚀体系极为复杂,对已有结果进行归纳并展望此领域的研究前景实有必要.本文归纳了两种主要微生物,即厌氧菌硫酸盐还原菌(SRB)、好氧菌铁细菌(IOB)分别与磁场共同作用时对金属腐蚀的机理,总结了学术界关于磁场与硫酸盐还原菌协同作用的研究现状,分析了现有研究尚存在争议的问题和缺陷,并对本领域的未来研究提出新的思路.     

强磁场条件下电磁流体推进器性能的试验研究

介绍了中日合作的强磁场条件下磁流体推进器试验研究，包括试验装置的结构，试验研究的程序以及试验结果。对试验结果的初步分析表明，当磁场强度为14特斯拉，电流密度为1000安培／平方米时，推进器电磁效率可达23％，比日本“大和一号”提高10倍，电磁力密度约为10000牛顿／立方米，比“大和一号”高出一个数量级。这次试验的成功，不仅首次实现了高场强条件下磁流体推进的试验研究，为理论分析提供了颇有价值的试验数据，而且进一步演示了螺管磁体螺旋通道磁流体推进器的一些优越性，为制定该技术早日实用化的研究目标提供了可靠的依据。     

The Static Magnetic Characteristics of Rods of Finite Length Magnetized by a Spatially Uniform Field

Theoretical relations for the magnetic characteristics of rods of finite length, magnetized by a spatially uniform constant magnetic field, are obtained.     

Direct Generation of Internse Compression Waves in Molten Metals by Using a High Static Magnetic Field and Their Application

Compression waves propagating through molten metals are contributed to degassing accelerating reaction rate,removing exclusions from molten metals and refining solidifcation structures during metallurgical processing of materials,In the present study ,two electromagnetic methods are proposed to generate intense compression waves directly in liquid metals.One is the simultaneous imposition of a high frequency electrical current filed and a static magnetic field ;the other is that of a high frequency magnetic field and a static magnetic field ,A mathematical model based on compressible fluid dynamics and electromagnetic fileds theory has been developed to derive pressure distri-butions of the generated waves in a metal.It shows that the intensity of compression waves is proportional to that of the high frequency electromagnetic force,And the frequency is the same as that of the imposed electromagnetic force,On the basis of theoretical analyses ,pressure change in liquid gallium was examined by a pressure transducer under various conditions.The observed results approximately agreed with the predictions derived from the theoretical analyses and calculations.Moreover,the effect of the generated waves on improvement of solidification structures was also examined .It shows that the generated compression waves can refine solidification structures when they were applied to solidification process of Sn-Pb alloy ,This study indicates a new method to generate compression waves by imposing high frequency electromagnetic force locally on molten metals and this kind of compression waves can probably overcome the difficulties when waves are excited by mechanical vibration in high temperature environments.     

金属磁记忆技术检测低碳钢静载拉伸破坏的实验研究

为探索磁记忆现象的物理机制,在地磁场环境中,静载拉伸低碳钢板状试件.对应试件加载前、静载拉伸过程中不同的载荷水平以及断裂后等不同阶段,分别采用EMS-2003磁记忆诊断仪检测试样表面磁场强度垂直分量信号的变化.结果发现,加载前各试件初始磁状态对试件断裂后信号有影响.试件拉伸过程中塑性变形阶段内磁信号无较大数值变化,断裂后信号突变.拉伸过程中过零点漂移,最后集中在断口处.过零点对判定损伤破坏的铁磁构件危险区域具有一定意义.     

Thermal Conductivity Measurements of Liquid Mercury and Gallium by a Transient Hot-Wire Method in a Static Magnetic Field

The transient hot-wire method, incorporating a static magnetic field, has been developed to measure thermal conductivities of liquid mercury and gallium. Prior to the measurements, the effect of an alumina-coated hot wire on the measurements has been evaluated. Natural convection in the liquid metals has been effectively suppressed by the Lorentz force acting on the liquid metals in a static magnetic field. The thermal conductivities of liquid mercury and gallium have been determined to be 7.9 W.m ⁻¹.K ⁻¹ at 291 K and 24 W.m ⁻¹.K ⁻¹ at 302.9 K, respectively.Paper presented at the Seventeenth European Conference on Thermophysical Properties, September 5–8, 2005, Bratislava, Slovak Republic.     

磁场在晶体生长中的应用

针对磁场在晶体生长中的应用,综述了近年来该领域数值模拟和实验研究的进展,包括静态磁场和动态磁场的产生原理及其在晶体生长中的效应。分析了晶体生长过程中存在的主要流动。综述了晶体生长过程中磁场力对导电熔体对流、固液界面形貌和杂质分布的影响,重点分析了磁场在直拉法单晶硅和定向凝固法多晶硅生长过程中的应用,总结了该领域当前存在的问题及其发展趋势。     

强磁环境下的生物大分子结晶研究

近年来,随着超导磁体技术的进步,围绕与强磁场条件相关的应用得到迅速发展.对结构生物学领域的研究人员来说,强磁场有望成为一种可供选择的特殊环境,用于生物大分子结晶研究,并可能成为获取高质量生物大分子晶体的一种手段.就强磁场环境对生物大分子结晶过程的影响研究进行了评述,并对该领域的未来发展方向做了预期.     

磁场诱导和晶种联合法制备链状Fe_3O_4

以粒径为700nm的球形Fe3O4为晶种,将晶种加入到含有FeSO4.7H2O、FeCl3.6H2O与尿素的混合溶液中,在磁场诱导下制备链状Fe3O4。研究了磁场强度、晶种添加量、分散剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)质量浓度以及反应时间对产品形貌的影响。研究结果表明,随着磁场强度的增大、晶种量的增加,链状粒子数目显著增多;适量的PVP能使链状粒子分散平行排列。合成链状Fe3O4粒子的最佳工艺条件为磁场强度0.35T,晶种用量10%,PVP质量浓度7.5g/L,反应18h。磁性能测试表明,该链状Fe3O4粒子具有亚铁磁性,磁饱和强度为72.3emu/g,矫顽力为381Oe。     

Direct Generation of Intense Compression Waves in Molten Metals by Using a High Static Magnetic Field and Their Application

Compression waves propagating through molten metals are contributed to degassing, accelerating reaction rate,removing exclusions from molten metals and refining solidification structures during metallurgical processing of materials. In the present study, two electromagnetic methods are proposed to generate intense compression wavesdirectly in liquid metals. One is the simultaneous imposition of a high frequency electrical current field and a staticmagnetic field; the other is that of a high frequency magnetic field and a static magnetic field. A mathematical modelbased on compressible fluid dynamics and electromagnetic fields theory has been developed to derive pressure distributions of the generated waves in a metal. It shows that the intensity of compression waves is proportional to thatof the high frequency electromagnetic force. And the frequency is the same as that of the imposed electromagneticforce. On the basis of theoretical analyses, pressure change in liquid gallium was examined by a pressure     

强静磁场对溶剂热合成纳米Bi形态的影响

研究了强静磁场对溶剂热合成纳米Bi形态的影响.实验中选用乙二醇或乙二醇与乙醇的混合液作溶剂、硝酸铋作铋源.结果表明,磁场能促进Bi纳米呈各向异性生长,并诱导合成纳米线.随着磁场强度的提高,产物中纳米线的比例逐步增大;反应温度越高,产物中获得全部纳米线所对应的磁场强度越低;在150℃、磁场强度达到12T时,产物中没有得到全部纳米线,在180℃和210℃时,产物中全部纳米线所对应的磁场强度分别为12T和8T.采用乙二醇与乙醇的混合液作溶剂时,产物中纳米线所对应的磁场强度提高.最后讨论了磁场诱导合成Bi纳米线的原因.