InSn合金毕业设计方案.doc

新型无铅In4Sn3系列金属化合物非平衡组织和稳定性研究摘要本文采取单辊法取得In4Sn3系列金属化合物薄带，研究快速凝固条件下，合金组织亚结构形成特征及性能稳定性。In4Sn3相合金（Sn：1845at.%）是含有体心正方晶格结构特征金属化合物，快速凝固条件下，合金成份分布均一，晶粒尺寸得到细化。经过X射线衍射分析技术对合金晶格结构做出了判定。采取SEM扫描电镜和背散射技术对合金显微组织进行了分析，同时了解到合金在快速凝固条件下形成均匀而且细小组织结构。为了对合金织构特征进行分析，采取等温退火方法对快速凝固条件下合金织构特征进行了研究。利用X射线衍射技术对合金晶格结构作出判定。研究表明，快速凝固条件下In4Sn3为金属化合物形成微晶组织，平均晶粒尺寸为36m。快速凝固薄带含有尺寸大多集中在16-100m之间，晶粒呈均匀分布。织构特征为（101）。而且在135退火条件下织构特征改变。同时，伴随Sn含量(1222)at.%在合金中增加，显微硬度值也会增加。而且一定Sn含量(1222)at.%显微硬度值会随时间增加而增加,不过In28at.%Sn显微硬度会随时间增加而减小。In4Sn3金属晶格类型随Sn含量增加，合金晶格有从体心正方向体心立方过渡趋势，而且伴随Sn含量增加，a值增加，c值减小；c/a值减小，晶格体积V增大。合金在20min等温退火条件下织构特征为（101），但当退火温度达成130以上时，织构特征将改变为(103)。关键词 In4Sn3金属化合物；快速凝固；稳定性。New lead-free In4Sn3 series metal compound non-balance organization and investigation into stabilityAbstractThis article uses a rotation method to get the In4Sn3 series of thin strips of metal compounds, research under the condition of rapid solidification, alloy substructure forming characteristics and performance stability. -In4Sn3 (Sn:1845at.%) is a body-centered crystal lattice structure of metal compounds, under conditions of rapidly solidified alloy composition distribution uniformity, The crystal grain size obtains the refinement.It has made the judgment through X beam diffraction analysis technology to the alloy lattice structure. Used the SEM scanning electron microscope and the back scatters the technology to carry on the analysis to the alloy microstructure, simultaneously understood the alloy formed even and the tiny organizational structure in under the fast coagulation condition. In order to carries on the analysis to the alloy texture characteristic, used the isothermal annealing method the alloy texture characteristic to conduct the research to the fast coagulation condition under. Using X beam diffraction technology to the alloy lattice structure makes the judgment.Studies have shown that, under the conditions of rapidly solidified In4Sn3 for metal compounds to form micro-Crystal organization, an average grain size of 36 m. Rapid solidification strip sizes are mostly concentrated in the 16100 m between the grain is evenly distributed. Texture feature is (101). And under 135 annealing texture the conditions change. Meanwhile, with the content of Sn (1222) at.% increase in alloy, microhardness values also increase. And make sure that content of Sn (1222) at.% microhardness value increases with increasing time, but In28at.%Sn micro hardness will decrease as time increases. In4Sn3 lattice type with the increase of Sn content of metal, alloy body-centered cubic lattice from a body-centered is direction the transition of trends, and with the increase of Sn content, a value increase, c values decrease; c/a values decrease, volume V of lattices increases. Alloy 20 min in isothermal annealing conditions for the weaving structure characteristics (101), but the annealing temperature reaches 130 C, textured character will be changed to (103).Key words In4Sn3 metal compounds; Rapid solidification; Stability.目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题背景11.2铟锡合金研究历史11.2.1 铟应用领域21.2.2快速凝固技术介绍41.3铟锡合金种类51.4 合金快速凝固方法及传热特点61.4.1快速凝固方法71.4.2快速凝固传热特点71.4.3快速凝固条件下合金组织和结构特征81.5课题研究目标121.6选题意义及研究内容12第2章 试验方法及数据计算132.1扫描电镜结构及工作原理132.2显微硬度计结构及工作原理152.2.1显微硬度计工作原理和组成152.2.2显微硬度计正确使用152.2.3掌握正确测量方法182.3 X射线衍射原理及应用介绍182.4背散射技术原理和分析212.5单辊法快速凝固技术介绍242.6 本章小结26第3章 铟锡合金组织性能分析273.1 In4Sn3合金晶格结构分析273.2背散射图像分析303.3 X射线衍射强度数值分析313.4 组织对性能影响333.5 本章小结33结论35致谢36参考文件37附录A38附录B48第1章 绪论1.1课题背景电子元件锡铅可焊性镀层易于老化，合金元素铟添加能大大提升镀层焊接性能和抗氧化性能。化学键无铅锡基二元合金镀层如Sn-Ag，Sn-BI,Sn-In,Sn-Sb,Sn-Zn等，它们常含有优良可焊性和耐蚀性，故多用在印制板和其它电子领域，以替换含铅锡合金，而锡-锌合金又可作为代镉镀层，有利于环境保护。元素In也会降低Sn-Ag钎料熔点，这一点上同Bi影响类似；而对机械性能影响却恰恰相反，元素In会降低Sn-Ag钎料拉伸强度，但会提升其延展性。铟关键作为包复层（或制成合金）以增强金属材料耐腐蚀性，尤其是在发动机轴承中可减轻油腐蚀，提升润滑性。铟丝可作电阻器、热电偶、电流计。铟有优良反射性能，也可用来制造反射镜。铟合金可作反应堆控制棒，其低熔合金可用于玻璃玻璃、玻璃-金属封接。在无线电和半导体技术中，铟及铟和砷、锑、磷化合物也相关键用途。新型无铅In4Sn3系列金属化合物非平衡组织和稳定性研究也处理了制造工业对材料选择不仅要考虑产品性能，可靠性和成本，环境保护和人类保健问题。Pb-Sn合金作为焊接材料使用虽已经有几千年历史，不过，铅及铅化合物书剧毒物质，长久广泛地使用含铅钎料会给人类环境和安全带来不可忽略危害。美国，欧洲和日本正在或已经制订对应法律和严格日程全方面严禁使用含铅钎料。各大企业全部不仅把“无铅”当成宣传口号，而且正在大力付诸实践，一边是音信环境保护政策，并以此作为市场手段。伴随现代高集成度，高性能电子电路设计发展，焊接点越来越小，而所需承载力学，电学和热学负荷却越来越大，对其可靠性要求日益提升。传统Pb-Sn钎料因为抗蠕变性差，已开始不能满足电子工业对其可靠性要求。In基合金也对快速凝固技术有恒大影响。所以，新型无铅In4Sn3系列金属化合物非平衡组织和稳定性研究含有重大意义。1.2铟锡合金研究历史元素铟(In)是由德国人赖希(F Reich)和李希特(H Richter)于1863年发觉。铟在元素期表中在第三族，原子序数为49，相对原子质量为11482。长久以来，铟并未受到大家特殊重视，一直被视为“试验室里金属”。但伴随大家对铟不停认识和研究，现在铟在信息、宇航、能源、军事工业及医药卫生等领域，在平板显示器、合金、半导体数据传输、航天产品和太阳能电池制造等方面，起着很关键作用。多年来，铟锡合金研究也得到了很多学者爱好，因为该合金在焊接时可使钎料组织分布均一，性能稳定等优点。 1.2.1 铟应用领域铟从常温到其熔点(156.61)之间和空气中氧作用缓慢，可在表面形成极薄氧化膜，温度更高时，能和氧、卤素、硫、硒、碲、磷作用。大块金属铟不和沸水和碱反应，但粉末状铟可和水作用，生成氢氧化铟。铟和冷稀酸作用缓慢，易溶于浓热无机酸和乙酸、草酸。ITO靶材：铟用于ITO消耗量大约是全世界铟产量(包含原生铟和再生铟)70，关键消耗国家为日本和美国，最近几年韩国和中国台湾地域用量也大大增加。因为中国大陆经济快速发展，对ITO需求也在快速增加。电子合金和半导体元件：铟在电子合金和半导体元件方面消耗量大约是全世界每十二个月铟产量12，消耗地关键分布在电子产业比较发达国家和地域，如美国、日本、韩国、中国台湾和欧盟部分国家。焊料合金：铟在焊料合金方面消耗量大约也是全世界铟产量12，消耗地关键是发达国家和发展中国家。高速传感器和光伏电池：铟在这方面用量还极少，但伴随循环经济深入发展和对可再生能源需求量扩大，这方面对铟需求会极大增加。科学研究及其它应用：铟在科学研究等方面用量约为全世界铟总产量6，如在无汞电池中替换汞作为阴极涂层等。据估计，铟在新用途方面用量将会以每十二个月1020速度增加。 1. 铟作为衬层或涂层应用金属铟易于在金属表面形成牢靠涂层，且有良好抗腐蚀性能，尤其是能阻止碱性溶液腐蚀作用。铟涂层不仅含有鲜艳色泽而且易于抛光打磨。金属铟在工业上最初应用领域是制造工业轴承，并一直延续至今。轴承表面一旦镀上含铟薄层，如铜铟镀层、 铅银铟镀层、锌铟镀层等以后，其质拉丝模上镀上铟涂层，其使用寿命可延长1.5倍，而表面镀铟青铜纱网可用于排除真空仪器中汞蒸气。铟镀层也可用于工艺装饰，以预防银制器皿逐步失去光泽而变暗。铟有优良反射性，可用来制造反射镜。多种镜子、反光镜和反射器，若表面镀上铟，则其反射性能会大大增强并耐海水侵蚀，所以海上船舶反光镜常见到这种镀层。 2.掺铟合金应用铟含有熔点低(156.61)、沸点高(2080)、传导性和延展性好特点。金属铟比铅还软，能用指甲刻痕；其可塑性强，可压成极薄金属片。因为铟熔点较低，所以可用于制造多个易熔合金。如易熔伍德合金中，在一定范围内，每加1铟，可降低熔点1.45。熔点在47122范围内含铟合金多用于制造多种保险丝、熔断器、控温器及信号装置等，尤其是宾馆室内防火喷水头敏感元件。还有熔点更低易熔合金，即以镓为关键成份镓铟合金常见来制作低熔点液态金属以填充高温温度计、高真空阀、恒温器、原子核反应器辐射监督器等。在薄壁金属管弯曲加工过程中，为预防管壁弯扁，通常将铟易熔合金填充到管内成为实心，弯后再将合金熔化倒出来。铟易熔合金也常见来固定光学透镜方便进行磨光和抛光。很多合金在掺入少许铟以后，能够提升其强度、延展性(可塑性)、抗磨损和抗腐蚀性能等，所以铟有“合金维生素”美称，或称之为“奇妙铟效应”。比如，用含铟量为1040不等多个银铟轴承合金材料制成轴承，其优点是在运转过程中不需加润滑油，而且其使用寿命是通常轴承45倍。银铅铟合金可作高速航空发动机轴承材料。而铟和贵金属形成合金关键用于珠宝首饰业中，铟镓合金则可用于电动真空仪器中对滑动元件起润滑作用。铟和钯化合物有着多个特殊颜色从柠檬黄色、金黄色到粉红色，最终到淡紫色。含铟量为60铟铂合金含有鲜明金黄色，而黄金中含20银和5铟金银铟三元合金更以“绿色黄金”美名著称于世。曾制作出一系列以银为关键成份银铟合金，其特点是在空气中表面不会发乌或变黑。 3.含铟钎焊料合金应用铟低熔点焊料合金系列，因其熔点低、抗疲惫性和延展性优良、导电性好、焊点强度高、可靠性好，尤其对陶瓷、玻璃等非金属含有良好润湿性，已成为微电子组装关键特种焊料之一，用于电子、低温物理和真空系统中玻璃一玻璃、玻璃一金属及氯碱工业设备焊接。铟很多易熔合金用作钎焊料时(甚至是纯净金属铟本身)，极易和玻璃、石英、云母表面润湿，且粘附性极佳。利用含铟钎焊料能够使压电材料制成零件相互牢靠地焊接在一起。铟、镓和锡合金常见于钎焊石英制品、云母制品、玻璃制品等(钎焊过程在常温和加压条件下便可完成)。在制作多层集成电路时，选择含铟成份钎焊料乃是至关关键一步，因为它要求钎焊料熔化温度有多个阶梯，即伴随层和层之间钎焊过渡，要求钎焊料熔化温度也逐步降低。多种含铟钎焊料，在高温硬钎焊方面也有着极广泛应用。具体用于下列方面钎焊：锆合金，铌合金钢，钼合金钢及其它多个不锈钢材；硅、锗及其它半导体材料，铝及其合金，复合材料和金镀层等。扩散焊硬钎料或硬钎焊膏是钎料中比较特殊一类。这种钎焊膏是将含铟液态合金(如铟、镓和银合金熔化温度低于25)和呈微分散态金属粉末(如铜粉末)相互混合而成膏状物。将这种钎焊膏涂在被焊接焊接面上，装配固定后进行扩散焊接，硬化过程能够在恒温炉内完成。电子工业中常见Sn-Pb共晶钎料(熔化温度183)已经有上千年应用历史，但因为铅有毒，国际上已于全方面禁用，这就需要寻求代用合金钎料。因为电子系统一切工艺和元件参数全部是适应这一温度设计，而其它可用二元或多元合金熔化温度全部比183高很多，故铟为新无铅钎料关键添加元素。因为铟熔点很低，所形成多元共晶温度更低，所以无铅钎料中铟添加是少许，只是作为熔化温度微调而用。 4.铟半导体材料应用含铟半导体化合物含有一系列其它半导体所没有显著特征，如很窄禁带宽度、很低电阻率、很高电子迁移率、很低霍尔系数，故使含铟半导体化合物含有其它半导体材料无可替换地位。1) A3B4型化合物。A3B4型化合物在大量含铟物质半导体材料中用量占首位，这类化合物最关键当推锑化铟、砷化铟和磷化铟。锑化铟关键用于制造惯性小霍尔效应发生器、红外技收器、多种辐射装置、多种热电发生器和冷却器等。砷化铟应用领域和锑化铟十分相同，关键有霍尔效应发生器、多种类型光接收装置和辐射装置(二极管和激光器)。磷化铟关键用于建造高效电磁能发射器和接收器，如场效应晶体管、电子振荡器和电子放大器，和其它含有特殊工作性能微波仪器等，还可用于太阳能动力装置中。2) 以A3B4为主固溶体。很多以A3B4型化合物为主体成份三元或四元固溶体中全部含铟，而且是其基础组分之一，这类固溶体在微电子技术各个领域全部有着广泛应用。因为大多数InB4一A4B7型固溶体全部含有直接带隙半导体带间跃迁特征，所以这类材料多用于制作多种光电子仪器，如相干和非相干辐射源、光接收装置，其中最有发展前途是用于制作集成光学仪器、太阳能装置等。3) A1B3C2 铟化物。这类化合物关键有CuInSe2、CuInS2、CuInTe2、AgInS2和AgInSe2，可应用于制造非线性光学仪器、光电接收器和光电二极管和太阳能电池等。如以涂覆在CdS基质上CuInSe。多晶膜为关键成份，已经生产出转换效率达11太阳能电池。在光学领域，铜铟硒(CIS)和铜铟镓硒(CIGS)系列薄膜太阳能电池因为其优越综合性能，也已受到广泛关注。1.2.2快速凝固技术介绍快速凝固是指液态金属以-K/s冷却速度进行凝固液态急冷成形技术。而通常凝固冷却速度通常不超出100K/s。 一. 快速凝固通常经过激冷法和深过冷法两种方法来实现。 1. 激冷法该方法凝固速率有凝固潜热及物理热导出速率控制。经过提升铸型导热能力，增大热流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经过提升热流导出速率实现。然而因为试样内部热阻限制，只能在薄膜及小尺寸颗粒中实现。降低凝固过程中热流导出量是在大尺寸试件中实现快速凝固唯一方法。 二. 快速凝固特征 1. 偏析形成倾向减小伴随凝固速率增大，溶质分配系数将偏离平衡。总趋势是，不管溶质分配系数是K1，实际溶质分配系数总是伴随凝固速率增大向1趋近，造成偏析倾向减小。通常当凝固速率达成1m/s时实际溶质分配系数将显著偏离平衡值。 2. 非平衡相形成在快速凝固条件下，平衡相析出可能被抑制，析出非平衡相亚稳定相。 3. 细化凝固组织大冷却速率不仅可细化枝晶，而且因为形核速率增大而使晶粒细化。伴随冷却速率增大，晶粒尺寸减小，取得微晶，乃至纳米晶。 4. 微观凝固组织改变定向凝固过程中，冷却速率改变对凝固组织影响已在前述章节中提及。当达成绝对稳定凝固条件时，可取得无偏析凝固组织。除此之外，大冷却速率可使析出相结构发生改变。随合金类型和成份改变，相同成份合金在不一样冷却速率下可取得完全不一样组织。 5. 非晶态形成当冷却速率极高时，结晶过程将完全抑制，取得非晶态固体。玻璃态金属是快速凝固技术应用成功实例，它不仅含有特殊力学性能，同时也可取得特殊物理性质，如超导特征，软磁特征及抗化学腐蚀特征。其中非平衡玻璃作为磁屏蔽材料已得到在工业上应用。用非晶材料替换硅刚片制作变压器可使其内径大大减小，处理了变压器在特殊条件下使用时发烧问题。非晶态材料已成为材料科学研究关键前沿领域之一。1.3铟锡合金种类自从德国人赖希(F Reich)和李希特(H Richter)于1863年发觉了铟元素，大家便进行了对铟元素大量研究。铟锡合金研究也以后开始。依据锡铟元素含量不一样，铟锡合金关键可分为铟锡合金和铟锡合金，其中铟锡合金中锡元素含量大约为10%-45%，铟锡合金晶格类型为体心正方结构；铟锡合金中锡元素含量大约为75%-85%，铟锡合金晶格类型为面心立方结构。依据温度不一样，铟锡合金类型也会对应改变。图1-1所表示。 图1-1 InSn合金相图其它元素也会影响铟锡合金种类，如铟锡合金中会含有少许Ag，Co ,Cu和Pb等元素。出于对课题研究时间和环境保护考虑，本课题着重研究无铅铟锡系列合金非平衡组织和稳定性研究。1.4 合金快速凝固方法及传热特点在金属凝固过程中，凝固系统传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而关键影响。快速凝固指是在比常规工艺过程中快得多冷却速度下，金属或合金以极快速度从液态转变为固态过程。 常规工艺下金属冷却速度通常不会超出102 /S。比如：大型砂型铸件及铸锭凝固时冷却速度约为：10-610-3 /S；中等铸件及铸锭约为10-3100 /S；薄壁铸件、压铸件、一般雾化约为100102 /S。快速凝固金属冷却速度通常要达成104109 /S。经过快速凝固合金，会出现一系列独特结构和组织现象。1960年美国加州理工学院Duwez等人采取一个特殊熔体急冷技术，首次使液态合金在大于107/S冷却速度下凝固。她们发觉，在这么快冷却速度下，原来是属于共晶系Cu-Ag合金中，出现了无限固溶连续固溶体；在Ag-Ge 合金系中，出现了新亚稳相；而共晶成份Au-Si (XSi=25%)合金竟然凝固为非晶态结构，所以可称为金属玻璃。这些发觉，在世界物理冶金和材料科学工作者面前展现了一个新宽广研究领域。1.4.1快速凝固方法通常可经过以下两种路径实现快速凝固 1. 激冷法该方法凝固速率由凝固潜热及物理热导出速率控制。经过提升铸型导热潜力，增大热流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经过提升热流导出速率实现。然而因为试样内部热阻限制，只能在薄膜及小尺寸颗粒中实现。降低凝固过程中热流导出量是在大尺寸试样中实现快速凝固唯一路径。1.4.2快速凝固传热特点现在关键快速凝固技术(包含离心法雾化在内)，全部是经过薄层液态合金和高导热系数冷衬底之间紧密相贴来实现极块导热传热。因为合金薄膜顶面和边缘不和冷衬底接触，散热相对来说是很有限，故问题可简化归纳为单向传热，其基础传热方程式（1-1）以下： （1-1）式中 热扩散系数这一方程差分形式（1-2）可写作： （1-2）式中，Ti-1、Ti、Ti+1 在时间 t 时相距各为x相邻3点温度， Ti i 点在时间 t + t温度。由上式计算结果可知，影响温度场及冷却速度最关键原因是：金属/衬底界面情况和试样金属厚度。依据界面传热系数大小和试样金属厚度及试样金属导热系数，能够用准则(hd / s)数值来判定何种冷却方法起主导作用。计算表明，对于高导热系数衬底(如铜、银等)，(hd/s)30时，为理想冷却。h为极大，试样及衬底中温度梯度全部较大，界面上无温差存在。(hd/s) (hd/s)0.015时，为中间冷却方法。式中，h界面传热系数，d试样厚度，s试样金属导热系数。在牛顿冷却方法下，当温度处于凝固温度以上时，试样温度T和时间t关系可表示为式（1-3）： （1-3）式中，金属密度，T0液态金属起始温度， Tb衬底温度，Cp金属比热容。当t=0时， （1-4）在现在大部分快速凝固技术中，试样厚度通常为多个微米到几十个微米，界面传热系数通常为h=1030w/(cm2)。可见，其散热多属于牛顿冷却方法或靠近牛顿冷却方法中间冷却方法。在表面熔化及自淬火方法中，因为界面传热系数很大，故可视为靠近理想方法中间冷却方法，或就是理想冷却方法。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传热系数。介质导热系数及流速增大和雾滴直径降低，界面传热系数将增大。 1.4.3快速凝固条件下合金组织和结构特征合金组织结构和合金凝固模式亲密相关。而合金凝固模式关键决定于一定形核及传热条件下界面推进速率。经典快速凝固应属于在很高界面推进下出现半界面凝固，或属于无偏析凝固。过冷度对快速凝固模式和合金组织影响。依据开始结晶前所达成过冷度，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。假如快速冷却达成临界过冷冷却条件，那么一定成份合金可发生完全无偏析凝固。在一些冷却中，足够大过冷度还可能促进形成新亚稳相。假如过冷度更大，则在溶体过冷到玻璃化转化温度Tg时，形核过程还未开始，凝固过程结果是形成非晶态合金。这可视作超快速凝固一个特殊情况。现在，我们能够得到这么结论：即快速凝固实质在于经过某种技术手段，使液态合金在很大冷却速度下达成足够大过冷度，使凝固过程尽可能按无溶质再分配、无扩散、无偏析模式进行。需要指出是：除了冷却速度对过冷度有直接影响外，非均质形核在决定凝固开始前过冷度及凝固模式方面也起着关键作用。减弱或消除非均质形核潜在关键，将使合金在较低冷却速度下，仍然能达成进行无偏析凝固所必需过冷度。那么，冷却速度加紧使过冷度增大，造成凝固模式改变到底对合金组织及结构特征产生怎样影响呢？图1-2：图1-2 快速凝固引发显微组织改变从一般铸造生产中冷却速度到冷却速度为102 /S左右，因为凝固过程中枝晶粗化时间缩短，所以结晶组织（包含显微偏析）不停细化。深入提升冷却速度时，熔体热过冷逐步加深，固-液界面越来越离开平衡状态，溶质元素界面不停发展，最终成为完全无扩散，无偏析凝固。在过冷不停加深过程中，合金组织及结构关键发生新改变为：扩大了固溶极限，无偏析或少偏析微晶组织，形成新亚稳相和高点缺点密度等。 1. 扩大了固溶极限 下表1-1聚集了快速凝固铝合金中新达成溶质固溶量数据：表1-1 快速凝固铝合金中溶质固溶量数据 合金系平衡最大固溶极限快速凝固固溶量平衡共晶点成份Al-Cu2.351817.3Al-Si1.781611.3Al-Mg18.904037.0Al-Ni18Al-Cr1.26Al-Mn29在诸如Al-Cu、Al-Si、Al-Mg等合金中，新达成固溶量不仅大大超出了最大平衡固溶极限，而且超出了平衡共晶点成份，经过快速凝固，形成了单相铝固溶体组织。下表1-2是铁基置换溶体中，经过快速凝固后所取得合金元素溶解度：表1-2 经过快速凝固后所取得合金元素溶解度溶质元素固溶体快速凝固后固溶度平衡最大固溶度快速凝固方法Cu15.07.2气枪Ga50.018.0气枪Ti16.09.8锥-钻Rh100.050.0气枪Mo40.626.0W20.813.0经过快速凝固也可使铝在铁中溶解度得到扩大，所以快速凝固不锈钢中可含有更多铝而不用担心出现相，从而使耐蚀性显著改善。快速凝固使硼在铁中固溶度大大提升。在纯铁中，硼平衡溶解度为5ppm（摩尔分数）。当有铌、锰、硅同时存在时，增至120ppm。但在快速凝固Fe-Ni-B及Fe-Cr-Ni-B合金中，取得了xB=1.0%固溶量，即为常规固溶量数值一千倍。快速凝固可显著地扩大碳在纯铁及铁基合金中固溶度。在镍铬奥氏体不锈钢中，经过固态淬火所可能达成最大固溶碳量为wc=0.250.30%，而快速凝固可使固溶碳增至Wc=0.87%。在Fe-Ti-C合金中，固溶碳量由0.1%（质量分数）增至0.5%。 2. 超细晶粒度快速凝固合金含有比常规合金低多个数量级晶粒尺寸，通常为小于0.11.0m，在Ag-Cu(wcn=50%)合金中，观察到了细至30晶粒。超细铸态晶粒成为快速凝固合金在组织上又一个关键特征，这显然是在很大过冷度下达成很高形核率结果，当在快速凝固合金中出现第二相或夹杂物时，其晶粒尺寸也对应地细化，比如在奥氏体不锈钢中，快速凝固后析出MnS夹杂，其尺寸比常规凝固中析出低23个数量级。 3. 极少偏析或无偏析常规铸合金中出现胞状晶及树枝晶总是伴伴随成份显微偏析，尤其在树枝晶中，偏析尤为显著。而在快速凝固条件下，当生长速度足够高时，枝晶端部温度会重新下降，直到平衡固相线温度，此时固相成份又会回到合金原始成份。凝固前沿亦重新成为平界面，表明合金凝固进入了“绝对稳定界限”。假如凝固速率不仅达成了“绝对稳定界限”，而且超出了界面上溶质原子扩散速率，即进入了完全“无偏析、无扩散凝固”时，便可在铸件全部体积内取得完全不存在任何偏析组织。 4. 形成亚稳相 在快速凝固合金中，除了出现不稳定过饱和固溶体外，还会形成其它亚稳相。这些亚稳相晶体结构可能和平衡状态图上相邻某一中间相结构极为相同，所以可看作是快速冷却和达成大过冷条件下，中间相亚稳浓度范围扩大结果 。其次，也有可能形成一些在平衡状态图上完全不出现亚稳相。对于具体一个快速凝固合金来说，到底出现了哪一个亚稳组织，自然决定于冷却速度和过冷度。 在含wC=3.55.0%、wSi=2.0%Fe-Cr-Si合金中，经过快速凝固可形成几乎单相相( h，c，p )组织，该相通常只有在高压下才可能出现，或是属于由低层错能奥氏体转变而来-马氏体。不过在快速凝固条件下，在较高碳硅含量时，相能直接由液相形成，并可保持到室温。这是因为高碳量wc=3.55.0%起到了减小层错能作用，而较高硅量wSi=2.0%则起到阻止渗碳体析出作用，从而保持了相中较高含碳量。经过测定，相最低含碳量是xc=14.28%（相当于Fe6C），最高含碳量是xc=25%（相当于Fe3C）。 5. 高点缺点密度 因为液态金属中“缺点密度”要比同温度下固态金属高得多，而在快速凝固过程中，则会较多保留在固态金属中。比如在快速凝固Fe-Cr(wCr=20%)-Ni(wNi=25%)合金中，很多晶粒含有沿着方向分布，相互平行空位环所形成带，这些环柏氏向量B=(a/2)，在快速凝固铝合金中则常出现很多无规则分布空位环。又如在快速凝固奥氏体钢中，常有M23C6颗粒沿晶向呈带状析出（带间距为0.250.50m），类似缺点带状结构在雾化镍基超合金粉末（粒度为10m左右）中也可发觉。特有组织结构特征给予快速凝固合金优异性能。1) 高强度及高韧性。是因为快速凝固合金含有扩大固溶度、超细晶粒度和超细和高分散度析出相所致。2) 高耐蚀性。在快速凝固条件下可提升铬含量而不致引发铬不锈钢中相析出。3) 高抗蠕变能力。这是因为消除了偏析，疲惫裂纹开始得以推迟，在高温合金中使早期熔化温度提升75100%。4) 快速凝固还可使不锈钢含有良好抗辐射性能及在高浓度氦气氛中不易膨胀特征，所以可成为理想核反应内壁结构材料。快速凝固不仅能够大大提升现有合金使用性能，而且能够发展一系列新型合金材料，所以成为目前金属材料科学及工程方面一个十分活跃新领域。现在，快速凝固晶态合金研究及技术开发工作关键有在高温合金、不锈钢、航空及航天工业中铝合金研究和工具钢和模具材料等方面研究。本课题对InSn合金快速凝固方法采取单棍法，该方法将在下章中作具体介绍。1.5课题研究目标本课题采取旋转法得到快速凝固条件下合金薄带并对其进行研究。采取SEM法对快速凝固组织相形貌和相结构进行分析，研究多种亚稳相组成和特征；采取X射线分析和电镜MAP图分析技术，分别合金晶格常数，织构形成类型和织构特征进行分析，在时效和等温退火条件下对材料显微硬度改变进行测量，研究材料基础性能和稳定性。研究伴随合金中锡含量增加对织构特征，显微硬度和稳定性影响。1.6选题意义及研究内容 采取快速凝固方法对无铅In4Sn3系列金属化合物进行研究，期望对铟锡合金组织及组织对合金稳定性影响得到认识。研究可为开发新型铟锡合金及其对钎料影响提供科学依据和实践参考。在铟锡合金研究领域首优异行以下尝试：1. 采取旋转法得到合金快速凝固条件下组织；2. 采取X射线衍射技术对晶格类型和组织特征进行判定。利用扫描电镜（SEM）和背散射技术对微观组织进行研究；3. 经过改变合金中锡含量，对锡含量对合金稳定性影响进行研究。而且经过改变合金退火温度来研究合金织构特征改变。第2章 试验方法及数据计算2.1扫描电镜结构及工作原理扫描成像原理以下图2-1所表示，电子枪1（钨丝枪或LaB6枪或场发射枪等）发射一束电子，这就是电子源，其最少截面直径为d0，对钨丝枪而言大约为2050m （场发射枪大约为1020nm ) ，这个小束斑经3 和5 两级聚光镜深入缩小几百倍，最终再经物镜缩小并聚焦在样品面上，这时束斑10 直径最小可到36nm （约小于扫描电镜分辨本事），电子束打在样品上，就产生上节所述多种信号。二次电子和背散射电子信号是最常见两种信号，尤其是二次电子。信号由接收器取出，经光电倍增器和电子放大器放大后，作为视频信号去调制高分辨显示器亮度，所以显示器上这一点亮度和电子束打在样品上那一点二次电子发射强度相对应。因为样品上各点形貌等各异，其二次电子发射强度不一样，所以显示器屏上对应点亮度也不一样。用同一个扫描发生器产生帧扫和行扫信号，同时去控制显示偏转器和镜筒中电子束扫描偏转器，使电子束在样品表面上和显示器中电子束在荧光屏上同时进行帧扫和行扫，产生相同于电视机上扫描光栅。这两个光栅尺寸比就是扫描电镜放倍数。在显示器屏幕光栅上图像就是电子束在样品上所扫描区域放大形貌像。图像中亮点对应于样品表面上突起部分，暗点表示凹部分或背向接收器阴影部分。因为显示器屏幕上扫描尺寸是固定，如14寸(1寸= 25.4mm）显示器扫描面积是267200mm2，在放大倍数为十万倍时样品面上扫描面积为2.672 m2如放大倍数为20 倍时，则为13.3510mm2。所以改变电子束扫描偏转器电流大小，就可改变电子束在样品上扫描尺寸，从而改变扫描电镜放大倍数。扫描电镜分辨本事通常指是二次电子像空间分辨本事，它是在高放大倍数下，大家能从照片中分清两相邻物像最小距离。通常是用两物像边缘最小距离来计算。但照