Nucleation and magnetism of supercooled Co-B metallic liquid under high magnetic field - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Nucleation and magnetism of supercooled Co-B metallic liquid under high magnetic field

Nucléation et magnétisme des métaux liquides Co-B en surfusion sous champ magnétique intense

Résumé

In the present work, a thorough investigation has been conducted on the Co-B alloys in terms of the microstructure evolution during non-equilibrium solidification with/without magnetic field and the temperature induced liquid-liquid structure transition. In this work, a Co-20at.%B hypereutectic alloys was undercooled by the melt fluxing technique and the microstructure was characterized by the back-scattering diffraction technique. A transition from hypereutectic to hypoeutectic was found at a critical undercooling of ∆T=119 K. When ∆T<119 K, a primary directional dendritic β-Co3B phase surrounded by the regular of α-Co+β-Co3B lamellar eutectics was found. When ∆T>119 K, the above hypereutectic microstructure changes into hypoeutectic structure with the α-Co phase as the primary phase. According to dendrite growth model, the transition from hypereutectic to hypoeutectic can be ascribed to the higher growth velocity of the α-Co phase than the β-Co3B phase, i.e., the growth-controlled mechanism. The current work shows also that there is a coupled zone skewed to the β-Co3B phase in the Co-B alloys system. Cyclic superheating and cooling were carried out for the undercooled hypereutectic Co-20at.%B, eutectic Co-18.5at.%B and hypoeutectic Co-17at.%B alloys. For each alloy, there is a critical overheating temperature Tc0 at which there is a sharp increase of the mean undercooling, i.e., the mean undercooling is about 80 °C when the overheating temperature is below Tc0, whereas the mean undercooling is about 200 °C when the overheating temperature is above Tc0. DSC measurements show that there is a thermal absorption peak in the heating process, the peak temperature of which is nearly equal to the critical overheating temperature, indicating that the temperature induced liquid-liquid structure transition does occur and should relate highly to nucleation in the undercooled Co-B eutectic melts. The effect of the liquid-liquid structure transition on nucleation was interpreted by the recent nucleation theory that considers the structures of overheated melts, and the composition-dependent overheating temperature was ascribed to the change of local favored structures. The present work provides further evidences for the liquid-liquid structure transition and is helpful for understanding solidification in undercooled melts. By in situ measuring the magnetization, the temperature induced liquid-liquid structure transition was further investigated. A magnetization anomaly in term of the non-Curie-Weiss temperature dependence of magnetization was observed in the overheated state, demonstrating a temperature induced liquid-liquid structure transition. This anomalous behavior was found to be a universal formula for the Co-B binary alloy system. A transition point (T0), two different Curie constants and two paramagnetic Curie temperatures (θ(LI), θ(LII)) corresponding to two distinct kinds of liquids (i.e., high-magnetization liquid I and low-magnetization liquid II) are determined. The Curie constant of liquid II was found much higher, which is attributed to the survived covalent bond below T0. The effects of magnetic field intensity on the liquid-liquid structure transition and paramagnetic Curie temperatures are studied. T0 and θ(LII) are found not sensitive to the field intensity, whereas, θ(LI) shifts to lower temperatures with the increasing magnetic field intensity. With the increased concentration of Co, T0, θ(LI) and θ(LII) shift to higher temperatures and the Curie constants for the liquid I and liquid II decrease. Based on the location of T0, a guideline was drawn above the liquidus in the Co-B phase diagram, which could provide a significant guidance to the practical melt treatment. Under an imposed magnetic field, a morphological alignment was found for the primary α-Co phase with its primary dendrite trunk or long axis paralleling to the direction of magnetic field. The primary α-Co phases are rod-like or spherical at relatively high undercooling, and the application of magnetic field is more conducive to obtain such kind of α-Co phases. The magnetic energy, magnetic torque and time required for rotation were analyzed theoretically to evaluate the magnetic alignment and alignment mechanisms. The dipolar forces between particles were calculated, based on which the phenomenon that the primary α-Co particles self-organize as chain-like stacking was described.
Dans le cadre du présent travail, une étude approfondie a été menée sur les alliages Co-B en termes d'évolution de la microstructure lors d'une solidification hors équilibre avec ou sans champ magnétique ainsi que sur une transition liquide-liquide induite par la température. Dans ce travail, un alliage hypereutectique Co-20at.%B a été sous-refroidi par la technique de l'encapsulation vitreuse et la microstructure a été caractérisée par la technique de microscopie électronique par électrons rétrodiffusés. Une transition de l'hypereutectique à l'hypoeutectique a été trouvée à un sous-refroidissement critique de ∆T=119 K. Quand ∆T<119 K, une phase dendritique directionnelle primaire β-Co3B entourée par l'eutectique lamellaire régulière de α-Co+β-Co3B a été observée. Lorsque ∆T>119 K, la microstructure hypereutectique ci-dessus se transforme en structure hypoeutectique avec la phase α-Co comme phase primaire. Selon le modèle de croissance de la dendrite, le passage de l'hypereutectique à l'hypoeutectique peut être attribué à la vitesse de croissance plus élevée de la phase α-Co que de la phase β-Co3B, c'est-à-dire un mécanisme contrôlé par la croissance. Les travaux actuels montrent également qu'il existe une zone de couplage dévié avec la phase β-Co3B dans le système des alliages Co-B. La surchauffe et le refroidissement cycliques ont été effectués pour les alliages hypereutectiques sous-refroidis Co-20at.%B, eutectiques Co-18.5at.%B et hypoeutectiques Co-17at.%B. Pour chaque alliage, il y a une température critique de surchauffe Tc0 à laquelle il y a une brutale augmentation du sous-refroidissement moyen, c'est-à-dire passant de 80°C pour une surchauffe inférieure Tc0, à 200 °C pour une surchauffe supérieure à Tc0. Les mesures DSC montrent qu'il y a un pic d'absorption thermique dans le processus de chauffage, dont le pic de température est presque égal à la température critique de surchauffe, ce qui indique qu'une transition structurale liquide-liquide induite par la température se produit et doit être étroitement liée à la nucléation dans le liquide eutectique Co-B sous refroidi. L'effet de la transition structurale liquide-liquide sur la nucléation a été interprété par la récente théorie de la nucléation qui considère les structures des liquides en fusion surchauffées, et la température de surchauffe critique TcO, dépendante de la composition, a été attribuée au changement de structures préférentielles locales. Le présent travail fournit d'autres preuves de la transition structurale liquide-liquide et est utile pour comprendre la solidification dans les métaux liquides sous-refroidis. Grace à une mesure in situ de l'aimantation, la transition structurale liquide-liquide induite par la température a été étudiée plus en profondeur. Une anomalie d'aimantation en terme de non dépendance de l'aimantation selon une loi de Curie-Weiss a été observée à l'état surchauffé, ce qui démontre une transition structurale liquide-liquide induite par la température. Ce comportement anormal s'est avéré être une règle universelle pour le système d'alliage binaire Co-B. Une température de transition (T0) et deux températures de Curie paramagnétiques (θ(LI), θ(LII)) correspondant à deux structures différentes des liquides sont déterminées. Les effets de l'intensité du champ magnétique sur la transition liquide-liquide et les températures de Curie paramagnétiques sont étudiés. T0 et θ(LII) ne sont pas sensibles à l'intensité du champ, tandis que θ(LI) passe à des températures plus basses avec une intensité croissante du champ magnétique. Avec une concentration croissante de Cobalt, T0, θ(LI) et θ(LII) passent à des températures plus élevées et les constantes de Curie pour le liquide I et le liquide II diminuent. En se basant sur la mesure de T0, une ligne directrice a été tracée au-dessus du liquidus dans le diagramme de phase Co-B, ce qui pourrait fournir une aide significative pour le traitement pratique de fusion de l'alliage. Sous l'effet d'un champ magnétique imposé, un alignement morphologique a été trouvé pour la phase primaire α-Co avec son tronc primaire de dendrite ou son grand axe parallèle à la direction du champ magnétique. Les phases primaires de α-Co sont de formes cylindriques ou sphériques avec un sous-refroidissement relativement élevé, et l'application d'un champ magnétique est plus propice à l'obtention de ce type de phases α-Co. L'énergie magnétique, le couple magnétique et le temps requis pour la rotation ont été analysés théoriquement pour évaluer l'alignement magnétique et les mécanismes d'alignement. Les forces dipolaires entre les particules ont été calculées sur la base desquelles le phénomène d'auto-organisation des particules primaires de α-Co sous forme d'empilement en chaîne a été décrit.
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Dates et versions

tel-02380643 , version 1 (26-11-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02380643 , version 1

Citer

Yixuan He. Nucleation and magnetism of supercooled Co-B metallic liquid under high magnetic field. Physics [physics]. UGA (Université Grenoble Alpes), 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02380643⟩
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