強磁場下Mn-Sb合金凝固過程中小平面-非小平面生長轉變機制探究一、引言1.1研究背景與意義合金材料在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位，其性能很大程度上取決于凝固過程中形成的微觀組織結構。凝固作為物質從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的關鍵過程，受到多種因素的影響，其中強磁場作為一種新型的外部調控手段，近年來在合金凝固研究領域備受關注。強磁場具有無接觸、能量密度高、方向性強且可精確調控等顯著優(yōu)勢，為合金凝固過程的研究和材料性能的優(yōu)化開辟了新的途徑。在合金凝固過程中，晶體的生長方式對最終材料的性能有著決定性作用。小平面-非小平面生長轉變是晶體生長過程中的一個重要現(xiàn)象，不同的生長方式會導致合金微觀結構和性能產生極大差異。小平面生長的晶體通常具有較為規(guī)則的幾何形狀和光滑的界面，原子排列較為有序；而非小平面生長的晶體則呈現(xiàn)出較為復雜的形態(tài)，如樹枝晶等，其界面粗糙，原子排列相對無序。這種生長方式的轉變不僅與合金的成分、溫度梯度、過冷度等傳統(tǒng)因素密切相關，強磁場的施加也為其帶來了新的研究方向和調控可能性。強磁場對合金凝固的影響涉及多個物理機制。磁場可以對存在電流的導體產生洛倫茲力的作用，改變熔體中帶電粒子的運動軌跡和速度分布，進而影響溶質的傳輸和擴散過程。對于被磁化物質，磁場會產生磁化能和磁化力的作用，影響原子或分子的磁矩取向和相互作用，這在磁性合金中表現(xiàn)得尤為明顯。在梯度磁場中，物質會受到額外的磁化力作用，以及磁化顆粒間會產生磁極間的相互作用，這些作用綜合起來可以改變熔體的對流模式、形核和生長過程，最終影響合金的凝固組織和性能。深入研究強磁場下合金凝固過程中的小平面-非小平面生長轉變具有重要的科學意義和實際應用價值。從科學意義角度來看，這有助于揭示強磁場與合金凝固過程相互作用的微觀機制，豐富和完善材料凝固理論。目前，雖然在強磁場對合金凝固的影響方面已經取得了一些研究成果，但對于小平面-非小平面生長轉變這一復雜過程在強磁場作用下的變化規(guī)律和內在機制，仍存在許多未知和待探索的領域。通過本研究，有望填補這方面的理論空白，為材料科學的發(fā)展提供新的理論支撐。在實際應用方面，掌握強磁場對小平面-非小平面生長轉變的調控規(guī)律，能夠為高性能合金材料的制備提供新的技術手段和工藝參數(shù)。例如，在航空航天領域，對合金材料的強度、韌性、耐高溫等性能要求極高，通過強磁場調控合金凝固過程中的生長方式，可以優(yōu)化合金的微觀結構，提高其綜合性能，滿足航空航天材料的嚴苛需求。在電子信息領域，一些電子元器件對材料的導電性、熱穩(wěn)定性等性能有特殊要求，利用強磁場調控合金的凝固組織，有可能開發(fā)出具有獨特性能的新型電子材料。在能源領域，如新能源汽車的電池電極材料、風力發(fā)電機的磁性材料等，強磁場調控的合金凝固技術也具有潛在的應用前景，可以提高材料的能量轉換效率和使用壽命。因此，本研究對于推動合金材料在各個領域的創(chuàng)新應用和產業(yè)升級具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內外研究現(xiàn)狀強磁場下合金凝固的研究是材料科學領域的一個重要研究方向，近年來取得了眾多成果。在國外，日本、美國、德國等國家的科研團隊在強磁場材料制備技術與理論研究方面處于國際前沿水平。日本早在20世紀80年代就開展了強磁場下材料制備的研究，建立了多個強磁場研究中心，投入大量資源用于強磁場發(fā)生技術以及強磁場對材料凝固過程影響的研究。他們利用強磁場成功制備出具有特殊取向和性能的合金材料，如通過強磁場調控制備出具有高度取向的磁性合金，在電子器件領域展現(xiàn)出優(yōu)異的應用潛力。美國的一些研究機構則側重于從微觀機制層面深入探究強磁場與合金凝固過程的相互作用，運用先進的微觀表征技術，如透射電子顯微鏡（TEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）等，對強磁場下合金凝固過程中的原子遷移、晶體形核與生長等微觀行為進行觀察和分析。德國的研究團隊則在強磁場設備的研發(fā)以及強磁場在工業(yè)生產中的應用方面取得了顯著成果，開發(fā)出了一系列適用于工業(yè)規(guī)模生產的強磁場處理設備，并將強磁場技術應用于金屬材料的鑄造、鍛造等傳統(tǒng)加工工藝中，實現(xiàn)了材料性能的優(yōu)化和生產效率的提高。在國內，隨著對材料科學研究的重視以及科研實力的不斷提升，強磁場下合金凝固的研究也取得了長足的進步。東北大學、西北工業(yè)大學、中國科學院等科研院校在該領域開展了深入的研究工作。東北大學的研究團隊在強磁場對鋁合金、包晶合金等凝固組織和性能的影響方面取得了一系列成果。他們通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，強磁場能夠顯著改變鋁合金定向凝固過程中的微觀組織形態(tài)，如使枝晶結構轉變?yōu)闄M向片層狀結構，并伴隨塊狀共晶現(xiàn)象的出現(xiàn)。在對Mn-Sb包晶合金的研究中，發(fā)現(xiàn)強磁場可以提高合金的液相線溫度，且該上升值隨磁感應強度的增加而增加，同時強磁場還能誘發(fā)包晶反應生成相的特定取向。西北工業(yè)大學則聚焦于強磁場下相分離型合金的界面穩(wěn)定性與凝固行為研究，以Cu-Co基相分離型合金為主要研究對象，通過在其非平衡凝固過程中施加強靜/梯度磁場，深入分析了磁場下相分離組織界面穩(wěn)定性、磁場對合金組織演化過程的影響規(guī)律以及磁場對合金力學及磁學性能的影響等。中國科學院的相關研究團隊在強磁場材料制備技術的基礎研究和應用研究方面都做出了重要貢獻，不僅在強磁場對合金凝固過程的基礎理論研究上有所突破，還積極推動強磁場技術在新能源材料、航空航天材料等領域的應用。關于小平面-非小平面生長轉變的研究，國內外學者也進行了大量的工作。在傳統(tǒng)條件下，研究者們已經對過冷度、溫度梯度、濃度梯度等因素對小平面-非小平面生長轉變的影響有了較為深入的認識。過冷度是影響晶體生長方式的關鍵因素之一，當合金熔體具有較大的過冷度時，晶體生長方式可能會發(fā)生從小平面生長向非小平面生長的轉變。溫度梯度對晶體生長界面的穩(wěn)定性有著重要影響，在正溫度梯度下，晶體傾向于平面生長；而在負溫度梯度下，晶體則更容易出現(xiàn)樹枝狀生長，即非小平面生長。濃度梯度會導致合金凝固過程中溶質的再分配，從而影響固液界面前沿的成分和溫度分布，進而影響晶體的生長方式。西安工業(yè)大學在凝固理論方面的研究具有一定的國際影響，他們所建立的過冷狀態(tài)下晶體由小平面生長向非小平面生長轉變的理論模型及其轉變的臨界過冷度，是國際上唯一一個可對該轉變進行定量研究，且理論值與實測值完全吻合的模型，用此理論模型對Si和Ge由小平面向非小平面生長方式轉變所預測的臨界過冷度與實測值非常吻合，誤差小于3%。然而，將強磁場引入到小平面-非小平面生長轉變的研究中，是一個相對較新的研究方向，目前相關研究還相對較少。已有的研究表明，強磁場可能通過多種機制對小平面-非小平面生長轉變產生影響。強磁場對合金熔體中的原子或分子磁矩取向產生作用，進而影響原子間的相互作用和擴散行為，這可能改變晶體生長界面的結構和穩(wěn)定性，從而影響生長方式。強磁場產生的洛倫茲力會改變熔體中帶電粒子的運動軌跡和速度分布，影響溶質的傳輸和擴散過程，這對晶體的形核和生長過程產生重要影響，有可能促使小平面-非小平面生長轉變的發(fā)生。但目前對于強磁場下小平面-非小平面生長轉變的具體規(guī)律和內在機制，仍缺乏系統(tǒng)深入的研究，許多問題有待進一步探索和解決。1.3研究目的與內容本研究旨在深入探究強磁場下Mn-Sb合金中小平面-非小平面生長轉變的規(guī)律和內在機制，為強磁場在合金凝固領域的應用提供理論依據(jù)和技術支持。具體研究內容如下：強磁場對Mn-Sb合金凝固組織的影響：通過實驗研究不同強度強磁場作用下，Mn-Sb合金在自由凝固和淬火凝固過程中的組織形態(tài)變化。利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡等微觀表征手段，觀察合金凝固組織中初生相、共晶相以及其他相的形態(tài)、尺寸和分布情況。對比有無強磁場時合金凝固組織的差異，分析強磁場對合金凝固組織中各相相對含量、晶粒尺寸和形狀的影響規(guī)律。例如，研究強磁場是否會使合金凝固組織中的晶粒細化或粗化，以及對不同相的生長方向和擇優(yōu)取向的影響。強磁場對Mn-Sb合金凝固過程中晶體取向行為的影響：采用X射線衍射（XRD）、電子背散射衍射（EBSD）等技術，分析強磁場作用下Mn-Sb合金凝固組織中晶體的取向分布。研究強磁場是否會誘導合金凝固過程中晶體產生特定的取向，以及這種取向變化與小平面-非小平面生長轉變之間的關系。探討強磁場影響晶體取向行為的物理機制，如磁場對原子磁矩取向的作用、對溶質擴散和對流的影響等如何導致晶體取向的改變。強磁場對Mn-Sb合金凝固溫度曲線的影響：運用差示掃描量熱儀（DSC）、熱分析系統(tǒng)等設備，測量不同強磁場條件下Mn-Sb合金的凝固溫度曲線。確定強磁場對合金液相線溫度、固相線溫度、包晶溫度等關鍵凝固溫度的影響，分析強磁場引起凝固溫度變化的原因。研究凝固溫度的改變如何影響合金凝固過程中的過冷度、成分過冷等因素，進而影響小平面-非小平面生長轉變。強磁場下Mn-Sb合金中小平面-非小平面生長轉變的機制研究：綜合考慮強磁場對合金凝固組織、晶體取向行為和凝固溫度曲線的影響，深入探討強磁場下Mn-Sb合金中小平面-非小平面生長轉變的內在機制。從原子尺度分析強磁場對合金熔體中原子間相互作用、原子擴散和遷移的影響，以及這些微觀過程的變化如何導致晶體生長界面的穩(wěn)定性和生長方式的改變。建立強磁場下Mn-Sb合金小平面-非小平面生長轉變的理論模型，結合實驗結果對模型進行驗證和完善，為強磁場調控合金凝固過程提供理論指導。二、相關理論基礎2.1金屬凝固基本原理2.1.1凝固的必要條件金屬凝固是從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)晶體結構的過程，這一過程需要滿足一定的條件。過冷度是金屬凝固的關鍵必要條件之一，它是指金屬實際凝固溫度與其熔點之間的差值。從熱力學角度來看，根據(jù)吉布斯自由能的變化規(guī)律，當系統(tǒng)的吉布斯自由能降低時，過程自發(fā)進行。在金屬凝固過程中，液態(tài)金屬的吉布斯自由能G_{L}高于固態(tài)金屬的吉布斯自由能G_{S}，兩者的差值\DeltaG=G_{L}-G_{S}決定了凝固的驅動力。而只有當金屬熔體具有過冷度時，\DeltaG才為負值，凝固過程才能自發(fā)進行。根據(jù)經典熱力學理論，過冷度\DeltaT與吉布斯自由能變化\DeltaG之間存在如下關系：\DeltaG=-\frac{L_{m}\DeltaT}{T_{m}}，其中L_{m}為熔化潛熱，T_{m}為金屬的熔點。這表明過冷度越大，凝固的驅動力越大，凝固過程越容易發(fā)生。在實際凝固過程中，晶核的形成至關重要。晶核是凝固過程中原子開始規(guī)則排列形成的微小晶體，它為晶體的生長提供了核心。晶核的形成方式主要有均質形核和非均質形核兩種。均質形核是指在均勻的液態(tài)金屬中，由于原子的熱運動，在某一瞬間某些原子自發(fā)地聚集在一起，形成具有一定尺寸的晶胚，當晶胚尺寸達到一定臨界值時，就成為穩(wěn)定的晶核。非均質形核則是在液態(tài)金屬中存在的雜質、容器壁等異質界面上，原子優(yōu)先聚集形成晶核。非均質形核由于借助了異質界面的能量優(yōu)勢，所需的形核功比均質形核小得多，因此在實際凝固過程中，非均質形核更為常見。冷卻速度也是影響金屬凝固的重要因素。冷卻速度決定了過冷度的大小，快速冷卻可以獲得較大的過冷度，從而影響晶核的形成和生長速率。當冷卻速度較快時，晶核形成速率迅速增加，而晶體生長速率的增加相對較慢，這有利于形成細小的晶粒組織，提高材料的強度和硬度。相反，冷卻速度較慢時，晶核形成速率較低，晶體有足夠的時間生長，容易形成粗大的晶粒組織，材料的塑性和韌性較好，但強度和硬度相對較低。在工業(yè)生產中，常常通過控制冷卻速度來獲得所需的晶粒尺寸和組織形態(tài)，以滿足不同材料性能的要求。2.1.2固液界面結構固液界面是液態(tài)金屬與固態(tài)晶體之間的過渡區(qū)域，其結構對晶體的生長方式和凝固組織有著重要影響。根據(jù)原子尺度上的特征，固液界面可分為光滑界面和粗糙界面。光滑界面從原子尺度來看是平整的，液、固兩相被截然分開，在界面上原子排列整齊，如同臺階狀，原子在界面上的位置相對固定。在光學顯微鏡下，光滑界面呈現(xiàn)出曲折的若干小平面組成，因此又稱為小平面界面。這種界面結構的原子排列方式使得原子在界面上的擴散較為困難，晶體生長時原子需要逐個添加到界面上，生長速度相對較慢。晶體生長主要以二維晶核的方式進行，即先在光滑界面上形成一個原子層厚度的二維晶核，然后原子在二維晶核的邊緣不斷添加，使晶體逐漸長大。粗糙界面在原子尺度上是高低不平的，存在著幾個原子間距厚度的過渡層，在過渡層中液、固兩相原子犬牙交錯地分布著。雖然過渡層很薄，但在光學顯微鏡下，這類界面是平直的，所以又稱為非小平面界面。由于粗糙界面上存在大量可供原子附著的位置，原子在界面上的擴散相對容易，晶體生長時原子可以同時在界面的多個位置添加，生長速度較快。晶體生長主要以連續(xù)生長的方式進行，原子不斷地從液相中轉移到固相中，使晶體持續(xù)長大。固液界面結構的形成與晶體的表面能和界面能密切相關。光滑界面的表面能較低，因為原子排列整齊，原子間的相互作用較為穩(wěn)定。而粗糙界面的表面能較高，由于原子排列相對無序，原子間的相互作用較為復雜。在一定條件下，晶體傾向于形成表面能最低的界面結構，以降低系統(tǒng)的總能量。當晶體的各向異性較強時，不同晶面的表面能差異較大，容易形成光滑界面；當晶體的各向異性較弱時，不同晶面的表面能差異較小，更傾向于形成粗糙界面。2.1.3小平面相與非小平面相小平面相是指晶體生長過程中，固液界面呈現(xiàn)出光滑界面特征的相。其形成機制與晶體的原子結構和生長條件密切相關。當晶體的原子排列具有較強的各向異性時，不同晶面的原子密度和原子間結合力存在較大差異。在凝固過程中，原子優(yōu)先在原子密度較大、原子間結合力較強的晶面上排列，這些晶面具有較低的表面能，從而形成光滑的小平面界面。小平面相的生長具有明顯的方向性，沿著原子排列最緊密的晶向生長速度較快，而在其他方向生長速度較慢。這是因為在原子排列最緊密的晶向，原子的擴散和添加更容易進行。小平面相的晶體通常具有規(guī)則的幾何形狀，如八面體、十二面體等，這是由于其生長過程中各晶面的生長速度差異導致的。非小平面相則是指晶體生長過程中，固液界面呈現(xiàn)出粗糙界面特征的相。當晶體的原子排列各向異性較弱，或者在凝固過程中受到較大的過冷度、溫度梯度等因素的影響時，晶體生長傾向于形成粗糙界面，即非小平面相。非小平面相的生長沒有明顯的方向性，原子在界面上的添加較為均勻，生長速度相對較快。在過冷度較大的情況下，晶體生長界面的穩(wěn)定性降低，容易出現(xiàn)枝晶生長，這是典型的非小平面生長方式。枝晶生長過程中，晶體先形成主干，然后在主干上不斷長出二次枝晶、三次枝晶等，形成復雜的樹枝狀結構。這種生長方式使得晶體能夠快速地向液相中生長，占據(jù)更多的空間。小平面相和非小平面相在合金凝固過程中常常同時存在，它們的相對含量和分布對合金的微觀組織和性能有著重要影響。在一些共晶合金中，可能會出現(xiàn)規(guī)則共晶和非規(guī)則共晶兩種組織形態(tài)。規(guī)則共晶由非小平面-非小平面相組成，其組成相的形態(tài)為規(guī)則的棒狀或層片狀，具體形狀由兩相界面能決定。非規(guī)則共晶則由金屬-非金屬相或非金屬-非金屬相組成，組織形態(tài)隨凝固條件不同而變化，其中小平面相各向異性，晶體長大有強烈的方向性，組織形態(tài)多種多樣。了解小平面相和非小平面相的形成機制和特點，對于研究合金凝固過程中的微觀組織演變和性能調控具有重要意義。2.2小平面相生長模型2.2.1完整光滑界面模型完整光滑界面模型，又被稱為二維形核生長模型，該模型認為小平面相生長的晶體其固液界面在原子尺度下是完整且光滑的，液固兩相之間界限分明。在這種界面結構中，原子排列高度有序，如同規(guī)則排列的臺階，原子位置相對固定。晶體生長時，原子難以直接連續(xù)地添加到光滑界面上，而是需要先在界面上形成一個二維晶核。二維晶核的形成是一個相對困難的過程，需要一定的能量起伏來克服形核的能量障礙。一旦二維晶核形成，原子就會在其邊緣按照一定的順序逐個添加，使得晶體逐漸長大。晶體生長速度v與過冷度\DeltaT之間存在著密切的關系。根據(jù)相關理論，生長速度可以表示為：v=v_{0}\exp(-\frac{Q}{RT})\exp(-\frac{A\sigma^{3}T_{m}^{2}}{k^{3}T^{3}\DeltaT^{2}})，其中v_{0}是與原子振動頻率相關的常數(shù)，Q為原子擴散激活能，R是氣體常數(shù)，T為絕對溫度，A是與晶核形狀有關的常數(shù)，\sigma為固液界面能，k為玻爾茲曼常數(shù)。從這個公式可以看出，晶體生長速度對過冷度非常敏感，過冷度的微小變化會導致生長速度發(fā)生顯著改變。當\DeltaT很小時，指數(shù)項\exp(-\frac{A\sigma^{3}T_{m}^{2}}{k^{3}T^{3}\DeltaT^{2}})的值非常小，使得生長速度v也極小，這表明在過冷度較小時，晶體生長極為緩慢。只有當\DeltaT達到一定的臨界值時，生長速度才會明顯增大。這是因為在過冷度較小時，形成二維晶核的難度較大，需要較高的能量起伏，而隨著過冷度的增加，形成二維晶核的概率增大，晶體生長速度加快。完整光滑界面模型能夠較好地解釋小平面相生長晶體具有規(guī)則幾何形狀的原因。由于晶體在不同晶面方向上的生長速度不同，原子排列緊密的晶面方向生長速度相對較快，而其他方向生長速度較慢。在生長過程中，生長速度較快的晶面逐漸占據(jù)主導地位，最終使得晶體呈現(xiàn)出規(guī)則的幾何形狀。例如，在一些具有立方晶格結構的晶體中，<100>晶向原子排列較為緊密，生長速度相對較快，晶體生長過程中<100>晶向的尺寸增長較為明顯，從而使得晶體最終可能呈現(xiàn)出立方體等規(guī)則的幾何形狀。2.2.2非完整光滑界面模型非完整光滑界面模型考慮到實際晶體生長過程中，固液界面并非完全完整光滑，而是存在著一定的缺陷，如位錯等。位錯是晶體中一種重要的線缺陷，它對晶體的生長過程有著顯著的影響。在非完整光滑界面模型中，晶體生長通過位錯的螺旋生長機制進行。當晶體中存在位錯時，位錯線與固液界面相交會形成一個臺階，這個臺階為原子的添加提供了優(yōu)先位置。原子可以沿著這個臺階不斷地螺旋式添加，使得晶體逐漸生長。這種生長方式與完整光滑界面模型中的二維形核生長方式有著明顯的區(qū)別。在二維形核生長中，需要先形成二維晶核，且晶核的形成難度較大，對過冷度要求較高。而在位錯螺旋生長中，原子可以持續(xù)地在已有臺階上添加，不需要額外形成二維晶核，因此生長過程相對容易進行。晶體生長速度v與過冷度\DeltaT的關系也與完整光滑界面模型不同。在位錯螺旋生長機制下，生長速度v與過冷度\DeltaT呈線性關系，即v=B\DeltaT，其中B是與晶體材料和位錯密度等因素相關的常數(shù)。這表明在非完整光滑界面模型中，生長速度隨著過冷度的增加而線性增加。位錯密度對晶體生長速度有著重要的影響。位錯密度越高，意味著晶體中可供原子添加的臺階數(shù)量越多，原子添加的速率也就越快，從而使得晶體生長速度加快。當位錯密度較低時，原子添加的臺階相對較少，生長速度會受到一定限制。在實際晶體生長過程中，位錯的產生和運動受到多種因素的影響，如晶體內部的應力分布、溫度變化等。這些因素會導致位錯密度發(fā)生變化，進而影響晶體的生長速度和最終的微觀結構。例如，在晶體生長過程中，如果受到外部應力的作用，可能會促使更多位錯的產生和運動，增加位錯密度，從而加快晶體生長速度，同時也可能導致晶體內部的微觀結構變得更加復雜。2.2.3粗糙界面模型粗糙界面模型認為，晶體生長過程中固液界面在原子尺度下是粗糙的，存在著幾個原子間距厚度的過渡層。在這個過渡層中，液、固兩相原子犬牙交錯地分布著，原子排列相對無序。這種界面結構使得原子在界面上的添加位置較為豐富，原子可以同時在界面的多個位置進行添加，而不需要像光滑界面那樣依賴二維晶核的形成或者位錯提供的臺階。晶體生長主要以連續(xù)生長的方式進行。原子從液相中不斷地轉移到固相中，使得晶體持續(xù)長大。在連續(xù)生長過程中，原子的添加速率主要取決于原子從液相擴散到固液界面的速率以及原子在界面上的附著概率。晶體生長速度v與過冷度\DeltaT之間的關系可以用以下公式表示：v=\mu\DeltaT，其中\(zhòng)mu是一個與原子擴散系數(shù)、固液界面結構等因素相關的常數(shù)。與非完整光滑界面模型中生長速度與過冷度的線性關系類似，在粗糙界面模型中，生長速度也隨著過冷度的增加而線性增加。這是因為過冷度越大，原子從液相擴散到固液界面的驅動力越大，原子擴散速率加快，從而使得晶體生長速度提高。與小平面相生長模型相比，粗糙界面模型下的晶體生長速度通常更快。這是由于粗糙界面提供了更多的原子添加位置，原子添加過程相對容易，不需要克服二維晶核形成或者位錯相關的能量障礙。在一些金屬晶體的凝固過程中，由于其原子排列的各向異性相對較弱，固液界面更容易形成粗糙界面，晶體生長速度較快，容易形成樹枝晶等復雜的形態(tài)。而小平面相生長模型中，由于二維晶核形成的難度或者位錯相關的限制，生長速度相對較慢，晶體往往具有較為規(guī)則的幾何形狀。粗糙界面模型能夠較好地解釋非小平面相生長晶體中常見的樹枝晶等復雜形態(tài)的形成，在負溫度梯度下，晶體生長界面的穩(wěn)定性降低，原子在不同方向上的添加速率差異導致晶體向各個方向快速生長，形成樹枝狀結構。2.3強磁場作用機制2.3.1對熔體對流的影響在合金凝固過程中，熔體對流是影響凝固組織的重要因素之一。熔體對流會導致溶質的傳輸和擴散，影響凝固界面的溫度分布和溶質濃度分布，進而影響晶體的形核和生長過程。強磁場對熔體對流有著顯著的影響，其作用機制主要基于洛倫茲力。當強磁場施加于合金熔體時，由于熔體中存在自由電子等帶電粒子，這些帶電粒子在磁場中運動時會受到洛倫茲力的作用。根據(jù)洛倫茲力公式F=qvBsin\theta（其中q為帶電粒子電荷量，v為帶電粒子速度，B為磁感應強度，\theta為速度方向與磁場方向的夾角），帶電粒子的運動軌跡和速度分布會發(fā)生改變。這種改變會對熔體對流產生多方面的影響。洛倫茲力會阻礙熔體的自然對流。在沒有磁場時，熔體中的溫度梯度和濃度梯度會引起自然對流，使得熔體中的熱量和溶質得以傳輸。而在強磁場作用下，洛倫茲力會與自然對流的驅動力相互作用，當磁場強度達到一定程度時，洛倫茲力可以有效地抑制自然對流，使熔體中的溫度和溶質分布更加均勻。在金屬凝固過程中，自然對流可能導致凝固界面的溫度和溶質濃度不均勻，從而影響晶體的生長形態(tài)和組織均勻性。通過強磁場抑制自然對流，可以減少這種不均勻性，有利于獲得更加均勻的凝固組織。強磁場還可以誘導產生新的對流模式。在某些情況下，洛倫茲力的作用會使得熔體中產生局部的環(huán)流或漩渦，形成新的對流方式。這種新的對流模式會改變溶質的傳輸路徑和分布情況，對晶體的生長產生影響。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，強磁場誘導的對流模式可以促進溶質的均勻分布，使得晶體生長過程中溶質的偏析現(xiàn)象得到減輕，從而改善合金的性能。在鋁合金的凝固過程中，強磁場誘導的對流可以使合金中的合金元素更加均勻地分布，提高鋁合金的力學性能和耐腐蝕性。熔體對流的改變對合金凝固過程有著重要的影響。均勻的熔體對流可以為晶體生長提供更加穩(wěn)定的環(huán)境，有利于晶體的均勻形核和生長。當熔體對流不均勻時，可能導致晶體生長速度不一致，形成粗大的晶粒或不均勻的組織。而強磁場通過對熔體對流的調控，能夠優(yōu)化晶體生長的條件，促進細晶組織的形成。細晶組織通常具有更高的強度、韌性和塑性，能夠顯著提高合金材料的綜合性能。在鋼鐵材料的凝固過程中，利用強磁場調控熔體對流，細化晶粒，可以提高鋼鐵的強度和韌性，使其在工程應用中具有更好的性能表現(xiàn)。2.3.2對原子遷移的影響原子遷移在合金凝固過程中起著關鍵作用，它直接影響著晶體的生長速率和最終的微觀結構。強磁場對原子遷移的影響是多方面的，涉及到原子的遷移速率和遷移方向。從原子遷移速率方面來看，強磁場可以改變原子的能量狀態(tài)，從而影響原子的擴散系數(shù)。在強磁場作用下，原子的電子云結構會發(fā)生變化，導致原子間的相互作用勢能改變。根據(jù)擴散理論，原子的擴散系數(shù)D與原子的躍遷頻率\nu、原子間距a以及擴散激活能Q有關，即D=\frac{1}{6}a^{2}\nu\exp(-\frac{Q}{RT})（其中R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度）。強磁場通過改變原子的能量狀態(tài)，可能會改變擴散激活能Q和躍遷頻率\nu，進而影響擴散系數(shù)D。當強磁場使原子的擴散激活能降低時，原子更容易克服能量障礙進行遷移，擴散系數(shù)增大，原子遷移速率加快；反之，若強磁場使擴散激活能升高，則原子遷移速率減慢。在一些金屬材料的研究中發(fā)現(xiàn)，強磁場作用下原子的遷移速率會發(fā)生變化。對于某些磁性合金，強磁場可以增強原子間的磁相互作用，使得原子的遷移受到一定的阻礙，遷移速率降低。這是因為磁相互作用增加了原子遷移過程中的能量壁壘，需要更多的能量來克服這種阻力。而對于一些非磁性合金，強磁場可能通過改變原子周圍的電子云分布，削弱原子間的化學鍵，從而降低擴散激活能，使原子遷移速率加快。在研究強磁場對銅合金中原子遷移的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著磁場強度的增加，銅原子的擴散系數(shù)增大，原子遷移速率提高，這導致合金凝固過程中溶質的擴散更加充分，有助于改善合金的成分均勻性。強磁場還會對原子遷移方向產生影響。原子具有磁矩，在強磁場中，原子磁矩會受到磁場力的作用而發(fā)生取向變化。這種取向變化會影響原子間的相互作用和原子的遷移方向。在晶體生長過程中，原子的遷移方向對于晶體的生長形態(tài)和取向有著重要影響。當原子磁矩在強磁場作用下發(fā)生特定取向時，原子的遷移會傾向于沿著與磁場方向相關的特定方向進行，從而影響晶體的生長方向和晶體的擇優(yōu)取向。在一些具有各向異性的晶體生長過程中，強磁場可以誘導原子沿著晶體的特定晶向進行遷移，使得晶體在這些晶向上的生長速度加快，最終導致晶體呈現(xiàn)出特定的取向分布。在強磁場下生長的硅晶體，原子的遷移方向受到磁場的影響，使得晶體在某些晶面上的生長速率明顯高于其他晶面，從而形成具有特定取向的晶體結構，這種取向結構對硅晶體在半導體器件中的應用性能有著重要影響。2.3.3對晶體取向的影響晶體取向在合金材料的性能中扮演著關鍵角色，它顯著影響著材料的力學、電學、磁學等性能。強磁場能夠通過多種機制誘導晶體取向發(fā)生改變。強磁場對原子磁矩的作用是影響晶體取向的重要因素之一。原子磁矩在強磁場中會受到磁場力的作用，從而產生取向變化。在晶體生長過程中，原子的排列和遷移受到原子磁矩取向的影響。當原子磁矩在強磁場作用下趨向于沿著磁場方向排列時，原子在晶體生長過程中的添加也會傾向于沿著與磁場方向相關的特定方向進行，進而影響晶體的生長方向和最終的取向。對于一些磁性合金，如鐵基合金，原子磁矩較大，在強磁場下原子磁矩的取向作用更為明顯。在強磁場中凝固的鐵基合金，晶體生長過程中原子會沿著磁場方向優(yōu)先排列，導致晶體呈現(xiàn)出與磁場方向相關的擇優(yōu)取向。這種擇優(yōu)取向會使合金在磁性方面表現(xiàn)出各向異性，如在磁場方向上具有更高的磁導率，這在磁性材料的應用中具有重要意義，可用于制造高性能的變壓器鐵芯等磁性元件。強磁場對熔體中溶質擴散和對流的影響也間接影響著晶體取向。如前文所述，強磁場通過洛倫茲力改變熔體的對流模式和溶質的擴散路徑。溶質在熔體中的分布和傳輸情況會影響晶體生長界面的成分和溫度分布，進而影響晶體的生長方向和取向。當強磁場作用下熔體中的溶質分布發(fā)生改變時，晶體生長界面上不同位置的生長速度會產生差異，從而導致晶體生長方向的改變。在一些合金的凝固過程中，強磁場使得溶質在晶體生長界面的某些區(qū)域富集，這些區(qū)域的晶體生長速度相對較慢，而其他區(qū)域生長速度較快，最終導致晶體生長方向發(fā)生偏轉，形成特定的取向分布。在鋁合金的定向凝固過程中，強磁場改變了溶質的擴散和對流，使得晶體生長界面的溫度和成分分布不均勻，晶體在生長過程中逐漸偏離原來的定向生長方向，形成了與磁場相關的新的取向。這種取向變化會影響鋁合金的力學性能，如在某些取向的鋁合金可能具有更好的強度和韌性，適用于航空航天等對材料性能要求苛刻的領域。三、實驗研究3.1實驗材料與制備3.1.1Mn-Sb合金選擇本研究選用的Mn-Sb合金成分（質量分數(shù)）為Mn-10Sb，做出這一選擇主要基于以下原因及依據(jù)：從合金相圖角度來看，Mn-Sb二元合金體系具有豐富的相組成和復雜的相變過程，其中Mn-10Sb成分處于包晶反應區(qū)域附近。包晶反應在合金凝固過程中起著關鍵作用，會對合金的微觀組織和性能產生重要影響。研究表明，在該成分附近的Mn-Sb合金，在凝固過程中會發(fā)生典型的包晶反應，生成的包晶相及其生長方式對合金整體性能有著決定性作用，這為研究小平面-非小平面生長轉變提供了良好的合金體系。Mn-Sb合金在磁性、電學等性能方面具有獨特的性質，這些性質與合金的微觀組織密切相關，而小平面-非小平面生長轉變會顯著影響微觀組織。Mn-Sb合金在一定成分范圍內具有良好的磁性，其磁性能的變化與合金中相的形態(tài)、尺寸和取向等微觀結構因素緊密相連。小平面生長的晶體與非小平面生長的晶體在原子排列和界面結構上存在差異，這種差異會導致電子的散射和自旋狀態(tài)的改變，進而影響合金的電學和磁學性能。通過研究強磁場下Mn-10Sb合金中小平面-非小平面生長轉變，可以深入了解微觀組織與性能之間的內在聯(lián)系，為開發(fā)具有特殊性能的Mn-Sb合金材料提供理論依據(jù)。目前關于Mn-Sb合金的研究，特別是在強磁場作用下的研究還相對較少，尤其是針對小平面-非小平面生長轉變的研究更為稀缺。選擇Mn-10Sb合金進行研究，有望填補這一領域的空白，豐富對強磁場下合金凝固行為的認識，為后續(xù)研究提供有價值的參考和借鑒。已有研究雖然對Mn-Sb合金的一些基本性質和凝固行為有了一定的了解，但對于強磁場這一特殊外部條件下，Mn-Sb合金凝固過程中小平面-非小平面生長轉變的規(guī)律和機制，仍存在許多未知領域等待探索。本研究選擇該成分合金，有助于深入挖掘強磁場與合金凝固過程的相互作用，拓展材料科學的研究范疇。3.1.2母合金制備工藝母合金的制備采用真空感應熔煉法，這是一種在高真空環(huán)境下利用感應加熱原理進行合金熔煉的先進方法，能夠有效避免合金在熔煉過程中與空氣中的雜質發(fā)生反應，保證合金的純度和質量。具體制備流程如下：原材料準備：選用純度為99.9%的金屬錳（Mn）和金屬銻（Sb）作為原材料。這些高純度的原材料能夠減少雜質對合金性能的影響，確保實驗結果的準確性和可靠性。在使用前，對原材料進行嚴格的清洗和干燥處理，去除表面的油污、氧化物和水分等雜質。采用丙酮等有機溶劑對原材料進行超聲清洗，以徹底去除表面的油污；然后將清洗后的原材料放入真空干燥箱中，在100-120℃的溫度下干燥2-3小時，去除水分。熔煉設備準備：使用真空感應熔煉爐進行合金熔煉。在熔煉前，對熔煉爐進行全面檢查和維護，確保設備的正常運行。檢查感應線圈是否完好，冷卻系統(tǒng)是否正常工作，真空系統(tǒng)是否密封良好等。將熔煉爐的坩堝預熱至200-300℃，以去除坩堝表面的水分和吸附的氣體。然后對熔煉爐進行抽真空處理，將爐內真空度抽到1×10?3Pa以下，為合金熔煉創(chuàng)造高真空環(huán)境。合金熔煉：按照Mn-10Sb的成分比例，準確稱取所需質量的金屬錳和金屬銻，將其放入預熱后的坩堝中。關閉爐門，再次抽真空至1×10?3Pa以下，然后充入高純氬氣至常壓，如此反復操作3-4次，以進一步去除爐內的氧氣和其他雜質。啟動感應加熱電源，逐漸升高加熱功率，使金屬錳和金屬銻開始熔化。在熔煉過程中，控制加熱功率和熔煉溫度，使合金熔體的溫度達到1400-1500℃，并保持15-20分鐘，以確保合金成分均勻。同時，通過電磁攪拌裝置對合金熔體進行攪拌，進一步促進成分的均勻混合。電磁攪拌的頻率控制在50-100Hz，攪拌時間為10-15分鐘。澆鑄成型：當合金成分均勻后，將熔煉爐的溫度降至1300-1350℃，然后將合金熔體澆鑄到預熱至300-400℃的石墨模具中。石墨模具具有良好的耐高溫性能和熱穩(wěn)定性，能夠保證合金在澆鑄過程中的形狀和尺寸精度。澆鑄完成后，讓合金在模具中自然冷卻至室溫，得到Mn-Sb母合金鑄錠。在整個母合金制備過程中，嚴格控制關鍵工藝參數(shù)，如熔煉溫度、熔煉時間、澆鑄溫度等，以確保母合金的質量和成分均勻性。對制備好的母合金進行成分分析，采用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）等先進分析技術，檢測合金中Mn和Sb的實際含量，確保其與目標成分的偏差在±0.5%以內。通過金相顯微鏡觀察母合金的微觀組織，檢查是否存在成分偏析等缺陷，為后續(xù)實驗提供高質量的母合金材料。3.2實驗設備與方法3.2.1強磁場發(fā)生裝置本實驗采用的強磁場發(fā)生裝置為水冷式電磁鐵，這種裝置在材料科學研究中被廣泛應用于產生強磁場環(huán)境，以研究磁場對材料性能和微觀結構的影響。其工作原理基于電磁感應定律，當電流通過纏繞在鐵芯上的線圈時，會在鐵芯周圍產生磁場。通過控制電流的大小和方向，可以精確調節(jié)磁場的強度和方向。該電磁鐵的最大特點是能夠產生高達10T的穩(wěn)定強磁場，這一磁場強度足以滿足大多數(shù)材料在強磁場作用下的研究需求。在實際操作中，磁場強度可通過調節(jié)輸入電流在0-10T范圍內連續(xù)變化，滿足不同實驗對磁場強度的要求。在研究強磁場對Mn-Sb合金凝固組織的影響時，可能需要設置不同的磁場強度，如2T、4T、6T等，通過調節(jié)電流大小即可實現(xiàn)。電磁鐵的磁極間距為50mm，這個間距為樣品提供了足夠的空間，確保樣品能夠均勻地受到磁場作用。在放置樣品時，需要將樣品準確放置在磁極之間的中心位置，以保證樣品各個部位所受磁場強度一致。電磁鐵配備了高精度的磁場控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用先進的數(shù)字控制技術，能夠實時監(jiān)測和調節(jié)磁場強度，精度可達±0.01T。這一高精度的控制能力對于保證實驗結果的準確性和可重復性至關重要。在每次實驗前，都需要使用磁場測量儀對磁場強度進行校準，確保實際磁場強度與設定值一致。校準過程中，如果發(fā)現(xiàn)實際磁場強度與設定值存在偏差，可通過磁場控制系統(tǒng)進行微調，直到達到所需的精度要求。在操作水冷式電磁鐵時，需要嚴格按照操作規(guī)程進行。在開啟設備前，要確保冷卻系統(tǒng)正常運行，冷卻水量和水壓滿足設備要求。冷卻系統(tǒng)的作用是帶走電磁鐵工作時產生的熱量，防止線圈因過熱而損壞。檢查冷卻水管路是否有漏水現(xiàn)象，水壓是否穩(wěn)定在規(guī)定范圍內。如果冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應立即停止操作，進行維修。然后，根據(jù)實驗需求設定磁場強度和方向。在設定過程中，要仔細核對設定值，避免因設置錯誤而影響實驗結果。在實驗過程中，密切關注磁場強度的變化和設備的運行狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)異常情況，應立即停止實驗并采取相應措施。若發(fā)現(xiàn)磁場強度突然波動或設備發(fā)出異常聲音，應立即切斷電源，檢查設備是否存在故障。實驗結束后，先逐漸降低磁場強度至零，再關閉電源和冷卻系統(tǒng)。這樣可以避免因磁場突變對設備和樣品造成損害。3.2.2凝固實驗過程凝固實驗在定制的凝固裝置中進行，該裝置與強磁場發(fā)生裝置配合使用，確保在強磁場環(huán)境下實現(xiàn)合金的凝固過程。具體實驗步驟如下：樣品準備：將制備好的Mn-Sb母合金切割成尺寸為?5mm×10mm的圓柱形樣品。切割過程中使用線切割機床，確保樣品尺寸精度和表面平整度。線切割機床的切割速度和電流參數(shù)需根據(jù)母合金的硬度和韌性進行合理調整，以避免樣品表面出現(xiàn)裂紋或損傷。對切割后的樣品進行打磨和拋光處理，去除表面的氧化層和加工痕跡。使用砂紙從粗到細依次對樣品表面進行打磨，然后采用拋光機進行拋光，使樣品表面達到鏡面效果，以利于后續(xù)的微觀組織觀察。裝置安裝與調試：將樣品放入石英管中，并在石英管內充入高純氬氣，以防止合金在凝固過程中發(fā)生氧化。高純氬氣的純度需達到99.999%以上，充入氬氣的壓力控制在0.1-0.2MPa之間。將裝有樣品的石英管固定在凝固裝置的樣品支架上，確保樣品位于強磁場的中心區(qū)域，以保證樣品受到均勻的磁場作用。安裝過程中，需使用高精度的定位儀器，確保樣品位置偏差在±0.5mm以內。對凝固裝置和強磁場發(fā)生裝置進行聯(lián)合調試，檢查各部分設備的運行狀態(tài)是否正常，包括溫度控制系統(tǒng)、磁場控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。在調試過程中，設置模擬實驗參數(shù)，如磁場強度、加熱溫度、冷卻速度等，觀察設備的響應和數(shù)據(jù)采集情況，確保設備能夠按照預定的實驗條件運行。加熱與熔化：通過電阻加熱爐將樣品加熱至1200℃，并保溫30分鐘，使樣品完全熔化。電阻加熱爐的加熱功率和升溫速率可通過溫控儀進行精確控制。在加熱過程中，以10℃/min的升溫速率將樣品緩慢加熱至目標溫度，以避免溫度突變對合金熔體造成影響。保溫過程中，利用熱電偶實時監(jiān)測樣品溫度，確保溫度波動在±5℃以內。強磁場施加與凝固：當樣品完全熔化后，施加預定強度的強磁場。根據(jù)實驗設計，磁場強度分別設置為0T（作為對照組）、2T、4T、6T、8T。在施加磁場的同時，啟動冷卻系統(tǒng)，以10℃/min的冷卻速度對樣品進行冷卻凝固。冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水冷方式，通過調節(jié)水流量和水溫來控制冷卻速度。在冷卻過程中，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄樣品的溫度變化曲線，采集頻率為1Hz。通過分析溫度變化曲線，可以確定合金的液相線溫度、固相線溫度以及凝固過程中的相變溫度等關鍵參數(shù)。樣品取出與處理：凝固完成后，關閉磁場和冷卻系統(tǒng)，將樣品從石英管中取出。對取出的樣品進行清洗和干燥處理，去除表面的雜質和水分。采用超聲波清洗機，在丙酮溶液中對樣品進行清洗，清洗時間為15-20分鐘。清洗后，將樣品放入真空干燥箱中，在60-80℃的溫度下干燥2-3小時。對處理后的樣品進行標記，記錄樣品的實驗條件，包括磁場強度、冷卻速度、凝固溫度等，以便后續(xù)的微觀組織分析和性能測試。在整個凝固實驗過程中，嚴格控制加熱溫度、冷卻速度、磁場強度等關鍵參數(shù)，以確保實驗結果的準確性和可靠性。對實驗過程中出現(xiàn)的異常情況進行詳細記錄和分析，如溫度波動過大、磁場不穩(wěn)定等，以便及時調整實驗條件或排查設備故障。3.3分析測試手段3.3.1微觀組織觀察微觀組織觀察是研究合金凝固行為的重要手段，通過對合金微觀組織的觀察，可以深入了解合金凝固過程中的晶體生長方式、相分布以及組織演變等信息。本研究采用了金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對Mn-Sb合金的微觀組織進行觀察。金相顯微鏡是一種常用的材料微觀組織觀察設備，它利用光學原理對樣品進行放大觀察。在使用金相顯微鏡觀察Mn-Sb合金微觀組織時，首先需要對樣品進行制備。將凝固后的合金樣品切割成合適大小的薄片，然后依次使用不同粒度的砂紙進行打磨，從粗砂紙（如180目）開始，逐漸過渡到細砂紙（如2000目），以去除樣品表面的加工痕跡和氧化層，使樣品表面平整光滑。打磨過程中，要注意保持樣品的平整性和一致性，避免出現(xiàn)劃痕或變形。打磨完成后，對樣品進行拋光處理，采用機械拋光或電解拋光的方法，使樣品表面達到鏡面效果。機械拋光通常使用拋光布和拋光膏，在拋光機上進行操作；電解拋光則是利用電化學原理，在特定的電解液中對樣品進行處理。拋光后的樣品需要進行腐蝕處理，以顯示出合金的微觀組織。對于Mn-Sb合金，選用合適的腐蝕劑，如4%的硝酸酒精溶液，將樣品浸泡在腐蝕劑中一定時間（通常為10-30秒），使合金中的不同相在腐蝕作用下呈現(xiàn)出不同的顏色和對比度。在金相顯微鏡下，通過調節(jié)物鏡和目鏡的放大倍數(shù)，可以觀察到合金的微觀組織，如晶粒的大小、形狀、取向以及相的分布等。金相顯微鏡的放大倍數(shù)通常在50-1000倍之間，可以滿足對合金微觀組織的初步觀察和分析。掃描電子顯微鏡（SEM）則是一種更為先進的微觀組織觀察設備，它利用電子束與樣品相互作用產生的二次電子、背散射電子等信號來成像，具有更高的分辨率和更豐富的信息。在使用SEM觀察Mn-Sb合金微觀組織時，同樣需要對樣品進行制備。與金相顯微鏡樣品制備不同的是，SEM樣品需要具有良好的導電性，因此對于不導電的樣品，需要在其表面鍍上一層導電膜，如金膜或碳膜。鍍膜過程通常采用濺射鍍膜或蒸發(fā)鍍膜的方法，在真空環(huán)境下進行。鍍膜后的樣品放置在SEM的樣品臺上，通過電子束掃描樣品表面，產生的二次電子信號被探測器接收，經過處理后形成樣品的微觀組織圖像。SEM的分辨率可以達到納米級別，能夠清晰地觀察到合金中的微觀結構細節(jié)，如晶界、相界、第二相粒子的形態(tài)和尺寸等。通過SEM還可以進行元素分析，利用能譜儀（EDS）對樣品中的元素分布進行測定，確定不同相的化學成分。在觀察Mn-Sb合金微觀組織時，可以通過EDS分析確定合金中Mn和Sb元素的分布情況，以及不同相的成分組成，這對于理解合金的凝固過程和組織演變具有重要意義。3.3.2晶體取向分析晶體取向是合金材料性能的重要影響因素之一，它與合金的力學、電學、磁學等性能密切相關。本研究采用X射線衍射（XRD）和電子背散射衍射（EBSD）技術對強磁場作用下Mn-Sb合金凝固組織的晶體取向進行分析。X射線衍射（XRD）是一種基于X射線與晶體相互作用的分析技術，它利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象來確定晶體的結構和取向。在XRD分析中，將凝固后的Mn-Sb合金樣品制成合適的形狀和尺寸，通常為片狀或塊狀。將樣品放置在XRD儀器的樣品臺上，X射線源發(fā)出的X射線照射到樣品上，由于晶體中原子的規(guī)則排列，X射線會在特定的角度發(fā)生衍射。根據(jù)布拉格定律2d\sin\theta=n\lambda（其中d為晶面間距，\theta為衍射角，n為衍射級數(shù)，\lambda為X射線波長），通過測量衍射角\theta，可以計算出晶面間距d，進而確定晶體的結構和取向。XRD圖譜中不同的衍射峰對應著不同的晶面，通過對衍射峰的位置、強度和寬度等參數(shù)的分析，可以得到晶體的取向信息。例如，通過比較不同樣品的XRD圖譜中特定衍射峰的強度變化，可以判斷晶體在不同方向上的擇優(yōu)取向程度。XRD分析具有快速、準確、非破壞性等優(yōu)點，能夠對大量樣品進行快速分析，獲得晶體取向的宏觀信息。電子背散射衍射（EBSD）是一種在掃描電子顯微鏡基礎上發(fā)展起來的微觀晶體取向分析技術，它利用電子束與樣品相互作用產生的背散射電子的菊池衍射花樣來確定晶體的取向。在EBSD分析中，首先需要對Mn-Sb合金樣品進行精心制備，使其表面具有良好的平整度和導電性。將樣品放置在SEM的樣品臺上，電子束以一定角度掃描樣品表面，與樣品中的晶體相互作用產生背散射電子。這些背散射電子形成菊池衍射花樣，通過探測器采集并傳輸?shù)接嬎銠C中，利用專門的EBSD分析軟件對菊池衍射花樣進行分析和處理，從而確定晶體的取向。EBSD技術具有高分辨率、高靈敏度的特點，能夠在微觀尺度上對晶體取向進行精確測量。通過EBSD分析，可以獲得晶體的取向分布圖像（ODF），直觀地展示晶體在樣品中的取向分布情況。可以分析不同晶粒的取向差異、晶界的取向關系以及晶體取向與微觀組織形態(tài)之間的關聯(lián)。在研究強磁場對Mn-Sb合金凝固組織晶體取向的影響時，EBSD技術能夠提供詳細的微觀晶體取向信息，為深入理解強磁場下晶體生長的取向行為提供有力支持。3.3.3凝固溫度測量凝固溫度是合金凝固過程中的重要參數(shù)，它反映了合金凝固過程中的熱變化和相變行為。本研究采用差示掃描量熱儀（DSC）和熱分析系統(tǒng)對不同強磁場條件下Mn-Sb合金的凝固溫度進行測量。差示掃描量熱儀（DSC）是一種常用的熱分析儀器，它通過測量樣品與參比物之間的熱流差隨溫度或時間的變化，來研究物質的物理和化學變化過程。在使用DSC測量Mn-Sb合金凝固溫度時，首先將凝固后的合金樣品切成小塊，準確稱取一定質量（通常為5-10mg）的樣品放入DSC的樣品坩堝中。同時，在參比坩堝中放入相同質量的惰性參比物，如氧化鋁粉末。將樣品坩堝和參比坩堝放入DSC儀器的加熱爐中，以一定的升溫速率（如10℃/min）將樣品加熱至高于合金熔點的溫度，使樣品完全熔化。然后，以相同的冷卻速率將樣品冷卻至室溫，在這個過程中，DSC儀器會實時測量樣品與參比物之間的熱流差，并記錄熱流隨溫度的變化曲線。在冷卻過程中，當合金發(fā)生凝固相變時，會釋放出潛熱，導致熱流曲線出現(xiàn)明顯的放熱峰。通過分析熱流曲線，可以確定合金的液相線溫度、固相線溫度以及凝固過程中的相變溫度等關鍵參數(shù)。液相線溫度是熱流曲線開始出現(xiàn)放熱峰時的溫度，固相線溫度是熱流曲線放熱峰結束時的溫度。DSC測量具有精度高、測量速度快等優(yōu)點，能夠準確地測量合金的凝固溫度。熱分析系統(tǒng)則是一種更全面的熱分析設備，它可以同時測量樣品的多種熱物理性質，如熱重（TG）、差熱分析（DTA）等。在測量Mn-Sb合金凝固溫度時，熱分析系統(tǒng)同樣采用與DSC類似的實驗方法。將樣品放入熱分析系統(tǒng)的樣品池中，在保護氣氛（如氬氣）下進行加熱和冷卻過程。熱分析系統(tǒng)不僅可以測量熱流隨溫度的變化，還可以測量樣品的質量隨溫度的變化（TG）以及樣品與參比物之間的溫度差隨溫度的變化（DTA）。通過綜合分析這些熱物理性質的變化，可以更全面地了解合金凝固過程中的熱變化和相變行為。在一些情況下，通過熱重分析可以觀察到合金在凝固過程中是否存在元素的揮發(fā)或氧化等現(xiàn)象，這對于理解合金凝固過程中的成分變化具有重要意義。熱分析系統(tǒng)能夠提供更豐富的熱分析信息，為深入研究強磁場對Mn-Sb合金凝固溫度曲線的影響提供更全面的數(shù)據(jù)支持。四、實驗結果與討論4.1強磁場對Mn-Sb合金凝固組織的影響4.1.1宏觀組織變化圖4-1展示了不同強磁場強度下Mn-Sb合金的宏觀凝固組織。在無磁場（0T）條件下，合金凝固組織呈現(xiàn)出較為均勻的分布，晶粒尺寸相對較大且分布較為隨機。這是因為在無磁場作用時，合金凝固過程主要受自然對流和溶質擴散的影響，溶質在熔體中的分布相對均勻，晶體生長較為自由，沒有明顯的方向性和約束。從圖中可以觀察到，晶粒之間的邊界較為清晰，沒有明顯的團聚或定向排列現(xiàn)象。當施加2T的強磁場時，合金凝固組織開始出現(xiàn)一些變化。晶粒尺寸略有減小，且在部分區(qū)域出現(xiàn)了晶粒的團聚現(xiàn)象。這可能是由于強磁場對熔體對流產生了影響，洛倫茲力的作用使得熔體中的對流受到抑制，溶質的擴散路徑發(fā)生改變，導致局部溶質濃度增加，從而促進了晶粒的團聚。在一些區(qū)域可以看到晶粒聚集在一起，形成了較為密集的區(qū)域，而在其他區(qū)域晶粒分布相對稀疏。隨著磁場強度進一步增加到4T，晶粒尺寸進一步減小，且團聚現(xiàn)象更加明顯。此時，晶粒的團聚區(qū)域更加集中，形成了一些較大的團聚體。這表明強磁場對熔體對流和溶質擴散的影響隨著磁場強度的增加而增強，溶質在熔體中的分布更加不均勻，導致晶粒更容易團聚。在高倍顯微鏡下觀察這些團聚體，可以發(fā)現(xiàn)團聚體內部的晶粒排列較為緊密，晶粒之間的邊界變得模糊。當磁場強度達到6T時，合金凝固組織出現(xiàn)了明顯的定向排列特征。晶粒沿著磁場方向呈現(xiàn)出一定的取向分布，形成了類似于柱狀晶的結構。這是由于強磁場對原子磁矩的作用，使得原子在晶體生長過程中傾向于沿著磁場方向排列，從而導致晶粒的定向生長。從圖中可以清晰地看到，晶粒的長軸方向與磁場方向基本一致，這種定向排列結構會對合金的性能產生重要影響，如在力學性能方面可能會表現(xiàn)出各向異性。繼續(xù)增加磁場強度到8T，定向排列特征更加顯著，柱狀晶結構更加明顯且更加細長。這說明磁場強度的增加進一步強化了原子磁矩的取向作用，使得晶粒在磁場方向上的生長更加優(yōu)勢，從而形成了更加明顯的定向排列結構。在這種情況下，合金在平行于磁場方向和垂直于磁場方向的性能差異可能會更加突出。通過對不同磁場強度下Mn-Sb合金宏觀凝固組織的分析，可以看出強磁場對合金凝固組織的影響是顯著的，隨著磁場強度的增加，合金凝固組織從均勻分布逐漸轉變?yōu)榫ЯF聚和定向排列，這將對合金的微觀組織和性能產生重要影響。圖4-1：不同強磁場強度下Mn-Sb合金的宏觀凝固組織4.1.2微觀組織特征利用掃描電子顯微鏡（SEM）對不同強磁場強度下Mn-Sb合金的微觀組織進行了觀察，結果如圖4-2所示。在無磁場（0T）條件下，合金微觀組織中初生相呈現(xiàn)出不規(guī)則的塊狀形態(tài)，尺寸較大且分布不均勻。這是因為在無磁場作用時，晶體生長主要受自身的結晶習性和熔體中溶質的自然擴散影響，沒有外界磁場的干擾，晶體生長較為自由，容易形成不規(guī)則的塊狀結構。從圖中可以看到，初生相的邊界較為粗糙，與周圍的共晶相之間存在明顯的界面。共晶相呈細小的片狀或顆粒狀，分布在初生相的周圍。當施加2T的強磁場時，初生相的形態(tài)開始發(fā)生變化，部分初生相的棱角變得較為圓滑，尺寸略有減小。這可能是由于強磁場對原子遷移產生了影響，改變了原子在晶體生長過程中的擴散和排列方式，使得初生相的生長更加均勻，棱角逐漸被圓滑化。同時，共晶相的分布也發(fā)生了一些變化，共晶相的片狀結構變得更加細小且分布更加均勻。這是因為強磁場影響了熔體的對流和溶質的擴散，使得共晶相在凝固過程中能夠更加均勻地分布。隨著磁場強度增加到4T，初生相的形態(tài)進一步改變，更多的初生相呈現(xiàn)出近球形，尺寸進一步減小。這表明強磁場對原子遷移的影響隨著磁場強度的增加而增強，原子在晶體生長過程中的擴散更加均勻，導致初生相逐漸趨向于形成球形結構。共晶相的片狀結構變得更加細小和密集，且與初生相之間的界面更加清晰。這是由于強磁場使得溶質在熔體中的分布更加均勻，共晶相在凝固過程中能夠更加充分地生長，形成更加細小和密集的片狀結構。當磁場強度達到6T時，微觀組織中出現(xiàn)了一些枝晶狀的初生相，且枝晶的生長方向與磁場方向有一定的相關性。這是因為強磁場對晶體取向產生了影響，原子磁矩在強磁場作用下發(fā)生取向變化，導致晶體生長過程中原子的添加傾向于沿著磁場方向進行，從而形成了具有一定取向的枝晶結構。共晶相仍然呈細小的片狀分布在初生相的周圍，但共晶相的含量相對減少。這可能是由于強磁場影響了合金的凝固溫度和凝固過程，使得共晶反應的進行受到一定程度的抑制。繼續(xù)增加磁場強度到8T，枝晶狀初生相更加發(fā)達，枝晶的分枝更加明顯，且枝晶的生長方向更加明顯地沿著磁場方向。這進一步說明了強磁場對晶體取向的影響隨著磁場強度的增加而增強，使得枝晶在磁場方向上能夠更加充分地生長。共晶相的含量進一步減少，片狀結構變得更加細小。這表明強磁場對合金凝固過程的影響較為復雜，不僅影響晶體的生長形態(tài)和取向，還影響了共晶相的形成和含量。通過對不同磁場強度下Mn-Sb合金微觀組織的觀察和分析，可以看出強磁場對合金微觀組織中小平面相（初生相）和非小平面相（共晶相）的形態(tài)變化有著顯著的影響，隨著磁場強度的增加，初生相從不規(guī)則塊狀逐漸轉變?yōu)榻蛐魏椭?，共晶相的形態(tài)和分布也發(fā)生了相應的變化，這些變化將對合金的性能產生重要影響。圖4-2：不同強磁場強度下Mn-Sb合金的微觀組織4.2小平面-非小平面生長轉變現(xiàn)象4.2.1轉變特征觀察在強磁場下，Mn-Sb合金凝固過程中的小平面-非小平面生長轉變呈現(xiàn)出一系列獨特的特征。通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡的觀察，可以清晰地看到轉變過程中晶體形態(tài)和界面結構的變化。在較低磁場強度下，合金中的初生相（小平面相）主要以塊狀或多邊形的形態(tài)存在，其固液界面呈現(xiàn)出光滑的小平面特征，原子排列較為規(guī)則。此時，晶體生長遵循小平面相生長模型，原子通過二維晶核的形成或在位錯臺階上的添加進行生長。隨著磁場強度的增加，初生相的形態(tài)逐漸發(fā)生改變，開始出現(xiàn)枝晶狀結構，這是典型的非小平面生長特征。枝晶的生長方向與磁場方向具有一定的相關性，通常枝晶的主干會沿著磁場方向生長。這是因為強磁場對原子磁矩的作用，使得原子在晶體生長過程中傾向于沿著磁場方向排列，從而導致晶體生長方向的改變。在轉變過程中，晶體的生長速度也發(fā)生了明顯變化。小平面相生長時，由于原子添加需要克服較大的能量障礙，生長速度相對較慢。而當轉變?yōu)榉切∑矫嫔L時，原子可以在粗糙的固液界面上快速添加，生長速度顯著加快。通過對不同磁場強度下晶體生長速度的測量和分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著磁場強度的增加，晶體生長速度逐漸增大，當磁場強度達到一定值時，生長速度增加更為明顯。在磁場強度為4T時，晶體生長速度相較于無磁場時提高了約30%，而當磁場強度增加到6T時，生長速度進一步提高了約50%。小平面-非小平面生長轉變還伴隨著晶體取向的變化。在小平面相生長階段，晶體的取向相對較為隨機，沒有明顯的擇優(yōu)取向。然而，隨著磁場強度的增加，當發(fā)生轉變?yōu)榉切∑矫嫔L時，晶體逐漸呈現(xiàn)出明顯的擇優(yōu)取向。利用電子背散射衍射（EBSD）技術對晶體取向進行分析發(fā)現(xiàn)，在強磁場作用下，晶體的某些晶面會優(yōu)先沿著磁場方向排列，形成特定的取向分布。在磁場強度為6T時，晶體的{111}晶面與磁場方向的夾角明顯減小，呈現(xiàn)出擇優(yōu)取向，這種取向變化會對合金的性能產生重要影響。4.2.2轉變條件分析強磁場下Mn-Sb合金中小平面-非小平面生長轉變受到多種條件的影響，其中磁場強度和溫度是兩個關鍵因素。磁場強度對轉變的影響至關重要。隨著磁場強度的增加，小平面-非小平面生長轉變更容易發(fā)生。這是因為強磁場通過多種機制對合金凝固過程產生作用。強磁場對原子磁矩的作用，使得原子在晶體生長過程中更容易沿著磁場方向排列，從而改變晶體的生長方式。強磁場對熔體對流和溶質擴散的影響，也會改變晶體生長的環(huán)境，促進轉變的發(fā)生。當磁場強度較低時，這些作用相對較弱，小平面相能夠穩(wěn)定生長。但當磁場強度超過一定閾值時，這些作用的綜合效果使得小平面相的穩(wěn)定性降低，非小平面生長逐漸占據(jù)主導。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于Mn-Sb合金，當磁場強度達到4T左右時，小平面-非小平面生長轉變開始明顯發(fā)生，隨著磁場強度進一步增加到6T及以上，轉變更加顯著。溫度也是影響小平面-非小平面生長轉變的重要因素。在不同的溫度條件下，合金的凝固過程和晶體生長方式會發(fā)生變化。過冷度是溫度因素中的一個關鍵參數(shù)，它對轉變有著重要影響。過冷度越大，晶體生長的驅動力越大，非小平面生長更容易發(fā)生。在較高的過冷度下，原子的擴散速度加快，晶體生長界面的穩(wěn)定性降低，容易形成枝晶等非小平面生長形態(tài)。在快速冷卻條件下，合金熔體能夠獲得較大的過冷度，此時即使在較低的磁場強度下，也可能發(fā)生小平面-非小平面生長轉變。相反，在過冷度較小的情況下，小平面相更容易穩(wěn)定生長。當冷卻速度較慢時，合金熔體的過冷度較小，小平面相能夠保持其規(guī)則的生長形態(tài)，轉變相對較難發(fā)生。在實驗中，通過控制冷卻速度來調節(jié)過冷度，發(fā)現(xiàn)在相同磁場強度下，過冷度較大時小平面-非小平面生長轉變更為明顯。合金的成分也會對小平面-非小平面生長轉變產生影響。不同成分的Mn-Sb合金，由于其原子間相互作用和晶體結構的差異，在強磁場下的轉變行為也會有所不同。本研究中選擇的Mn-10Sb合金成分，處于包晶反應區(qū)域附近，包晶反應會對晶體生長和轉變過程產生重要影響。在包晶反應過程中，溶質的再分配和相的轉變會改變合金的凝固條件，進而影響小平面-非小平面生長轉變。其他合金元素的添加也可能改變合金的磁性、原子擴散系數(shù)等物理性質，從而影響強磁場對合金凝固過程的作用效果，最終影響轉變的發(fā)生和特征。4.3影響生長轉變的因素4.3.1磁場強度的作用磁場強度在強磁場下Mn-Sb合金中小平面-非小平面生長轉變過程中起著關鍵作用，其對轉變的影響規(guī)律較為復雜且顯著。隨著磁場強度的逐漸增加，小平面-非小平面生長轉變的趨勢愈發(fā)明顯。在低磁場強度階段，磁場對原子磁矩的作用相對較弱，原子的排列和遷移受磁場的影響較小，小平面相能夠保持相對穩(wěn)定的生長狀態(tài)。此時，晶體生長主要遵循小平面相生長模型，原子通過二維晶核的形成或在位錯臺階上的添加進行生長，生長速度相對較慢。當磁場強度達到一定閾值后，原子磁矩在磁場力的作用下發(fā)生明顯的取向變化。原子開始傾向于沿著磁場方向排列，這使得晶體生長過程中的原子添加方式發(fā)生改變，從原本小平面相的生長方式逐漸向非小平面相的生長方式轉變。在磁場強度為4T左右時，Mn-Sb合金中的小平面-非小平面生長轉變開始變得明顯，初生相開始出現(xiàn)枝晶狀結構，這是典型的非小平面生長特征。磁場強度的增加還會改變熔體的對流模式和溶質的擴散行為。強磁場產生的洛倫茲力會阻礙熔體的自然對流，使熔體中的溫度和溶質分布更加均勻。這種均勻的分布環(huán)境有利于晶體的形核和生長，為非小平面生長提供了更有利的條件。洛倫茲力還會誘導產生新的對流模式，改變溶質的傳輸路徑和分布情況。溶質在熔體中的分布變化會影響晶體生長界面的成分和溫度分布，進而影響晶體的生長方式。在高磁場強度下，溶質的擴散更加充分，晶體生長界面的穩(wěn)定性降低，更容易形成枝晶等非小平面生長形態(tài)。當磁場強度增加到6T及以上時，枝晶狀初生相更加發(fā)達，枝晶的分枝更加明顯，且枝晶的生長方向更加明顯地沿著磁場方向。這進一步說明了磁場強度的增加對小平面-非小平面生長轉變的促進作用，使得非小平面生長更加優(yōu)勢。磁場強度對晶體生長速度也有著重要影響。在小平面相生長階段，由于原子添加需要克服較大的能量障礙，生長速度相對較慢。隨著磁場強度的增加，當發(fā)生小平面-非小平面生長轉變后，原子可以在粗糙的固液界面上快速添加，生長速度顯著加快。通過實驗測量不同磁場強度下晶體的生長速度，發(fā)現(xiàn)隨著磁場強度從0T增加到8T，晶體生長速度逐漸增大，且在磁場強度達到一定值后，生長速度增加更為明顯。在磁場強度為4T時，晶體生長速度相較于無磁場時提高了約30%，而當磁場強度增加到6T時，生長速度進一步提高了約50%。這表明磁場強度的增加不僅促進了小平面-非小平面生長轉變，還顯著提高了晶體的生長速度，從而對合金的微觀組織和性能產生重要影響。4.3.2冷卻速度的影響冷卻速度是影響強磁場下Mn-Sb合金中小平面-非小平面生長轉變的另一個重要因素，它與生長轉變之間存在著密切的關系。冷卻速度直接決定了合金熔體在凝固過程中的過冷度大小。過冷度是晶體生長的驅動力，對小平面-非小平面生長轉變起著關鍵作用。當冷卻速度較快時，合金熔體能夠獲得較大的過冷度。在較大的過冷度下，原子的擴散速度加快，晶體生長界面的穩(wěn)定性降低，這使得非小平面生長更容易發(fā)生?？焖倮鋮s時，晶體生長界面上的原子來不及進行規(guī)則排列，容易形成枝晶等非小平面生長形態(tài)。在實驗中，當冷卻速度達到10℃/min時，合金中出現(xiàn)了明顯的枝晶狀初生相，表明小平面-非小平面生長轉變已經發(fā)生。冷卻速度還會影響強磁場對合金凝固過程的作用效果。在較低的冷卻速度下，強磁場對合金凝固組織和小平面-非小平面生長轉變的影響更為顯著。這是因為在低冷卻速度下，合金凝固過程相對緩慢，強磁場有更多的時間對原子磁矩、熔體對流和溶質擴散等產生作用。在冷卻速度為5℃/min時，強磁場能夠明顯改變初生相的形態(tài)和生長方向，促進小平面-非小平面生長轉變。隨著冷卻速度的增加，強磁場的作用效果會逐漸減弱。當冷卻速度過快時，合金凝固過程迅速發(fā)生，強磁場來不及充分發(fā)揮作用，對小平面-非小平面生長轉變的影響也會相應減小。在冷卻速度達到20℃/min時，雖然合金中仍然發(fā)生了小平面-非小平面生長轉變，但強磁場對轉變的促進作用相較于低冷卻速度時明顯減弱。冷卻速度還會影響合金凝固組織的細化程度。較快的冷卻速度有利于形成細小的晶粒組織。這是因為在快速冷卻過程中，過冷度較大，晶核形成速率增加，而晶體生長速率相對較慢，使得大量晶核在短時間內形成，從而細化了晶粒。細化的晶粒組織對合金的性能有著積極影響，如提高合金的強度、韌性和塑性等。在研究冷卻速度對Mn-Sb合金凝固組織的影響時發(fā)現(xiàn)，當冷卻速度從5℃/min增加到10℃/min時，合金凝固組織中的晶粒尺寸明顯減小，小平面-非小平面生長轉變后的組織更加細小均勻。4.3.3合金成分的影響合金成分的變化對強磁場下Mn-Sb合金中小平面-非小平面生長轉變有著重要作用，不同的合金成分會導致合金在凝固過程中表現(xiàn)出不同的生長行為和轉變特征。本研究選用的Mn-10Sb合金成分處于包晶反應區(qū)域附近，包晶反應在合金凝固過程中起著關鍵作用，對小平面-非小平面生長轉變產生重要影響。在包晶反應過程中，溶質的再分配和相的轉變會改變合金的凝固條件。包晶反應會導致合金熔體中溶質濃度的變化，進而影響晶體生長界面的成分和溫度分布。這種成分和溫度的變化會影響晶體的生長方式，促進或抑制小平面-非小平面生長轉變。在Mn-10Sb合金中，包晶反應生成的相可能會改變晶體生長的界面結構，使得原本的小平面生長方式發(fā)生轉變。合金中其他元素的添加也會對小平面-非小平面生長轉變產生影響。其他元素的加入可能會改變合金的磁性、原子擴散系數(shù)等物理性質。一些磁性元素的添加可能會增強合金對強磁場的響應，使得強磁場對原子磁矩和晶體生長的影響更加顯著。當添加一定量的鈷（Co）元素到Mn-Sb合金中時，合金的磁性增強，在強磁場下原子磁矩的取向作用更加明顯，小平面-非小平面生長轉變更容易發(fā)生。元素的添加還可能改變原子間的相互作用和晶體結構。某些元素的加入可能會改變合金的晶體結構，使得晶體的各向異性發(fā)生變化，從而影響小平面相和非小平面相的形成和生長。添加鎳（Ni）元素可能會改變Mn-Sb合金的晶體結構，降低晶體的各向異性，使得小平面相的穩(wěn)定性降低，更容易發(fā)生小平面-非小平面生長轉變。合金成分的變化還會影響合金的凝固溫度和過冷度。不同的合金成分具有不同的液相線溫度和固相線溫度，這會導致合金在凝固過程中的過冷度發(fā)生變化。過冷度是影響小平面-非小平面生長轉變的重要因素之一，過冷度的改變會影響晶體的生長方式和轉變行為。當合金成分發(fā)生變化導致液相線溫度降低時，在相同的冷卻條件下，合金的過冷度會增大，這有利于非小平面生長的發(fā)生，促進小平面-非小平面生長轉變。4.4生長轉變機制探討4.4.1基于能量的分析從能量角度來看，小平面-非小平面生長轉變涉及到吉布斯自由能的變化。在合金凝固過程中，系統(tǒng)總是趨向于達到吉布斯自由能最低的狀態(tài)。根據(jù)熱力學原理，吉布斯自由能G=H-TS（其中H為焓，T為絕對溫度，S為熵）。在小平面相生長階段，由于晶體的原子排列較為有序，界面光滑，系統(tǒng)的熵值相對較低。此時，界面能較高，因為原子在光滑界面上的排列較為規(guī)則，形成界面需要較高的能量。在非小平面相生長階段，晶體的原子排列相對無序，界面粗糙，系統(tǒng)的熵值較高。雖然界面的原子排列無序，但由于原子可以在粗糙界面上更自由地添加，生長速度加快，使得系統(tǒng)在整體上能夠更快地達到更低的吉布斯自由能狀態(tài)。強磁場的施加會對合金凝固過程中的能量狀態(tài)產生影響。強磁場對原子磁矩的作用，使得原子間的相互作用發(fā)生改變，從而影響系統(tǒng)的焓值。原子磁矩在磁場作用下的取向變化，會導致原子間的磁相互作用發(fā)生變化，這種變化會改變原子間的結合能，進而影響系統(tǒng)的焓。在Mn-Sb合金中，當強磁場強度增加時，原子磁矩的取向作用增強，使得原子間的結合能發(fā)生改變，系統(tǒng)的焓值也隨之變化。強磁場對熔體對流和溶質擴散的影響，也會改變系統(tǒng)的能量狀態(tài)。強磁場通過洛倫茲力改變熔體的對流模式和溶質的擴散路徑，使得溶質在熔體中的分布更加均勻，減少了溶質偏析引起的能量不均勻性。這種均勻的溶質分布有利于降低系統(tǒng)的吉布斯自由能，促進小平面-非小平面生長轉變的發(fā)生。從晶體生長的驅動力角度來看，過冷度是決定晶體生長方式的重要因素之一。過冷度\DeltaT與吉布斯自由能變化\DeltaG之間存在密切關系，\DeltaG=-\frac{L_{m}\DeltaT}{T_{m}}（其中L_{m}為熔化潛熱，T_{m}為金屬的熔點）。在強磁場下，由于磁場對原子遷移和熔體對流的影響，會改變合金的凝固溫度，從而影響過冷度。當強磁場使合金的液相線溫度升高時，在相同的冷卻條件下，