[发明专利]同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体涉及一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置和方法。

背景技术

金属凝固之前的熔体预处理能够改变金属熔体结构，提高凝固形核率，因此，金属熔体的预处理是实现金属铸态组织细化的常用方法。最常用的预处理方式一是在金属熔体中添加细化剂或变质剂以实现异质形核，从而提高形核率，二是通过外加物理场预处理细化，促进均质形核实现细化，其机理之一是通过改变熔体结构的动态起伏平衡状态，进而改变金属熔体的近程有序结构以提高形核率，从而实现细化。

对于熔体处理工艺的细化效果的考察，一般通过建立处理工艺参数与凝固组织之间的关系来优化处理工艺方法与技术参数范围。其存在的问题是对处理效果考察存在滞后性和不连续性，即试验周期长，且无法对处理过程进行全程考察。另外，如前所述，熔体处理细化效果在本质上是与熔体结构变化导致的形核率变化有关，而不同的熔体处理工艺却可能导致相同的凝固细化效果，即处理工艺条件与熔体结构不见得是单值关系，而在冷却条件一致时，熔体结构与形核率和凝固细化效果却有单值对应关系。因此，如果能够对熔体结构的变化进行实时考察，从而建立熔体结构与细化效果之间的关系，那么只要考察一定处理条件下所获得的熔体结构变化行程，即可预测相应的细化效果。这样不仅可以缩短工艺优化试验周期，而且可使工艺优化更精细化。然而，金属熔体大多处于高温状态，对高温金属熔体的实验研究与检测是十分困难的。

目前对于金属熔体结构的表征方法，主要有直接和间接方法。直接方法是采用X射线衍射、中子衍射、同步光源辐射、扩展X射线精细结构吸收等技术获得原子分布函数的径向分布函数，从而计算得到金属的熔体结构，但是，直接法的检测设备复杂，实验繁琐，且可重复性差。熔体微观结构的变化必然导致宏观热力学性质和热物理性质的变化，即金属熔体的物理性质与熔体的结构因子密切相关，因此，间接法主要是通过检测金属熔体的物理性质的变化来间接表征熔体结构的变化。

电阻是熔体结构的敏感物理量，也是熔体物性中最容易检测的物理量。电阻变化的测量可以从电子层次间接推测研究金属熔体的结构变化，同时与其他方法相比，它可提供更多的有关短程有序方面的信息。所以，通过研究外加物理场处理金属熔体导致的电阻变化，能够表征外加物理场导致的熔体结构变化，进而建立金属熔体的电阻变化与凝固细化效果之间的关系。尽管有关液体金属通过电阻测量实验来研究熔体结构已经取得了许多进展，但相关研究主要集中在熔体状态与组成变化对熔体结构的影响，鲜有通过外加物理场对金属熔体电阻的变化来检测熔体结构变化的方法研究。

根据金属电子理论，与电阻率一样，金属熔体的热电势也是熔体结构的敏感物理量。当导体两端存在一个温度差ΔT时，由于电子运动的不对称性，在导体两端就会产生一个电势差，而电势差与温度差的比值是一个仅决定于温度和材料性质的函数，称为Seebeck系数，也通称为热电势。因此，通过对金属熔体热电势变化的测量，也可以实现对金属熔体微观结构变化的测量。

近年来，在金属材料凝固过程中施加电磁场的技术得到快速发展，已成为制备新材料，开发新工艺的重要手段。采用电磁技术制备材料不仅操作方便，改善材料组织性能效果明显，而且由于电磁场与金属材料的非接触性，还能够避免对材料本身的污染。因此，金属熔体的电磁处理技术受到广泛关注，其本质上除了电磁洛伦兹力的宏观力学效应对凝固行为产生影响之外，电磁场导致的熔体结构变化也是十分重要的影响因素。金属熔体的电阻或热电势尽管均为熔体微观结构的敏感量，但对不同种类的金属熔体的磁致结构变化的敏感度可能不同，如果可以同时测得施加电磁场导致的金属熔体的电阻变化和热电势变化，则可方便地选择可以对磁致金属熔体结构变化更敏感的电阻变化或热电势变化来准确检测熔体结构变化，但是目前尚未有可以同时准确测量电磁场导致金属熔体电阻变化或热电势变化的测量方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置和方法，目的是同步准确测量交变电磁场、直流电磁场、振荡电磁场和脉冲电磁场等各种均匀电磁场或梯度电磁场处理金属熔体导致的电阻变化，以及由于金属熔体的热电势变化导致的电势差变化。