第二篇 1由熔体制备材料的技术

第二篇由熔体制备材料的技术金属及合金玻璃高聚物（选学）1第一节金属及合金凝固与结晶过程结晶的基本条件晶核的形成与长大凝固理论的应用典型的非铁金属及合金2凝固凝固：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。3一材料结晶的基本规律1液态材料的结构结构：长程无序而短程有序。特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。4一材料结晶的基本规律2过冷现象supercooling

（1）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。（2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际温度之差。△T=Tm-T(见冷却曲线)注:过冷是凝固的必要条件(凝固过程总是在一定的过冷度下进行)。

5一材料结晶的基本规律3结晶过程（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）（2）描述结晶进程的两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。6二

材料结晶的基本条件

1热力学条件（1）G-T曲线a是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。

dG/dT=-Sb是上凸曲线：由二次导数（负）确定。

d2G/d2T=-Cp/Tc液相曲线斜率大于固相：由一次导数大小确定。二曲线相交于一点，即材料的熔点。7二

材料结晶的基本条件

1热力学条件（2）热力学条件△Gv=－Lm△T/Tma△T>0,△Gv<0－过冷是结晶的必要条件（之一）。b△T越大,△Gv越小－过冷度越大，越有利于结晶。c△Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。8二

材料结晶的基本条件

2结构条件（1）液态结构模型

微晶无序模型

拓扑无序模型

（2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。出现几率结构起伏大小9三

晶核的形成

均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。1均匀形核

（1）晶胚形成时的能量变化

△G＝V△Gv+σS＝(4/3)πr3△Gv+4πr2σ©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.10三

晶核的形成

1均匀形核(2)临界晶核d△G/dr=0rk=-2σ/△Gv临界晶核：半径为rk的晶胚。(3)

临界过冷度rk=-2σTm/Lm△T临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。△Tk.△T≥△Tk是结晶的必要条件。11三

晶核的形成

1均匀形核

（4）形核功与能量起伏△Gk＝Skσ/3临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。12三

晶核的形成

1均匀形核

（5）形核率与过冷度的关系 N=N1(∆GK).N2(∆

GA) 由于N受N1(形核）.N2（扩散）两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。13三

晶核的形成

2非均匀形核（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。（2）自由能变化：表达式与均匀形核类似。©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.14三

晶核的形成

2非均匀形核（3）临界形核功计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系

σlw=σsw+σslcosθ计算能量变化和临界形核功。△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4aθ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核；b180>θ>0时,△Gk非<△Gk,杂质促进形核；cθ=180时，△Gk非＝△Gk，杂质不起作用。15三

晶核的形成

2非均匀形核

（4）影响非均匀形核的因素a过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。b外来物质表面结构：θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，点阵常数相近。c外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图3－17）2h16四

晶核的长大

1晶核长大的条件（1）动态过冷动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件）（2）足够的温度（3）合适的晶核表面结构17四

晶核的长大

2液固界面微结构与晶体长大机制

粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料的界面）：垂直长大。

光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。18四

晶核的长大

2液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料的界面）：

垂直长大。光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。19四

晶核的长大

3液体中温度梯度与晶体的长大形态（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）粗糙界面：平面状。光滑界面：台阶状（小平面状）。20四

晶核的长大

3液体中温度梯度与晶体的长大形态（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）

©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.21四

晶核的长大

3液体中温度梯度与晶体的长大形态（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）粗糙界面：树枝状。光滑界面：树枝状－多面体—台阶状。22四

晶核的长大

3液体中温度梯度与晶体的长大形态（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）

©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.23五凝固理论的应用

1材料铸态晶粒度的控制Zv=0.9(N/G)3/4（1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，适用于小件。（2）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。（3）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。24五凝固理论的应用

2单晶体的制备（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。（2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.25五凝固理论的应用

3定向凝固技术（1）原理：单一方向散热获得柱状晶。（2）制备方法。26五凝固理论的应用

4急冷凝固技术（1）非晶金属与合金（2）微晶合金。（3）准晶合金。27六非铁金属及其合金§1铝及其合金§2铜及其合金§3钛及其合金§4轴承合金§5其它非铁合金28除铁之外的其它金属称为非铁金属：轻金属ρ＜4.5g/cm3如Al、Mg、K、Na、Ca等。重金属ρ＞4.5g/cm3如Cu、Zn、Ni、Sn、Pb、Co等。贵金属Au、Ag、Pt、Rh（铑）、Cd（镉）等。稀有金属相对稀少或产量较少Ti、W、V、Nb、Mo等。放射性金属如镭（Ra）、铀（U）、钍（Th）等。半金属介于金属与非金属之间的元素，如硅、锗、硼非铁金属具有许多黑色金属所不及的优良特性，是现代工业中不可缺少的材料。

29§1铝及其合金一、工业纯铝（物理性能）具有银白色金属光泽，密度2.72g/cm3，熔点660.4℃，具有良好的导电和导热性，其导电性仅次于银和铜。纯铝在空气中易氧化，表面形成一层能阻止内层金属继续被氧化的致密的氧化膜，因此具有良好的抗大气腐蚀性能。30§1铝及其合金一、工业纯铝（工艺性能）纯铝具有面心立方结构，具有极好的塑性和较低的强度(纯度99.99%时，σb45MPa，δ50%)，良好的低温性能(-235℃塑性和冲击韧度也不降低)，冷变形加工可提高其强度，但塑性降低。

铸、压力加工、焊和切削加工性能具佳。工业纯铝中含有少量铁、硅等杂质元素，杂质含量增加，其导电性、抗蚀性及塑性都降低。31一、工业纯铝（分类）按纯度：高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝高纯铝：有L05～L01五种，数字越大，纯度越高；工业高纯铝：有LG5～LG1五种，数字越大，纯度越高；工业纯铝：有L1～L7七种，数字越小，纯度越高。用途：工业纯铝的主要用途是配制铝合金，高纯铝主要用于科学试验和化学工业。纯铝还可用来制造导线、包覆材料、耐蚀和生活器皿等。

§1铝及其合金32二、铝合金的分类铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn、Mn等主加元素和Cr、Ti、Zr、B、Ni等辅加元素，组成铝合金，可提高强度并保持纯铝的特性。根据成分和生产工艺特点可将铝合金分为两大类：

1)形变铝合金2)铸造铝合金§1铝及其合金33二、铝合金的分类形变铝合金:成分在D点以左的合金，加热至固溶线DF以上温度得到均匀的单相α固溶体，塑性好，适于进行锻造、轧制等。铸造铝合金:成分在D点以右的合金，存在共晶组织，塑性较差，不宜压力加工，但流动性好，适宜铸造。

§1铝及其合金34二、铝合金的分类(形变铝合金)形变铝合金中，小于F点的合金，固溶体成分不随温度而变化，不能通过热处理方法强化，称为不可热处理强化的铝合金；成分在F-D之间的合金，固溶体成分随温度变化，可通过热处理方法强化，称为可热处理强化的铝合金。

§1铝及其合金35三、铝合金的热处理(退火、淬火和时效)1．退火(1)再结晶退火再结晶温度以上保温一段时间后空冷，用于消除变形工件的加工硬化，提高塑性，以便继续进行成形加工。(2)低温退火消除内应力，适当增加塑性，通常在180～300℃保温后空冷。(3)均匀化退火消除铸锭或铸件的成分偏析及内应力，提高塑性，通常在高温长时间保温后空冷。§1铝及其合金36三、铝合金的热处理(退火、淬火和时效)2．淬火（固溶处理）将铝合金加热到固溶线以上保温后快冷，使第二相来不及析出，得到过饱和、不稳定的单一α固溶体。淬火后铝合金的强度和硬度不高，具有很好的塑性。§1铝及其合金37三、铝合金的热处理(退火、淬火和时效)3.时效将淬火后的铝合金，在室温或低温加热下保温一段时间，随时间延长其强度、硬度显著升高而塑性降低的现象，称为时效。室温下进行的时效称为自然时效；低温加热下进行的时效称为人工时效。时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一α固溶体中析出和长大，由于第二相与母相（α相）的共格程度不同，使母相产生晶格畸变而强化。§1铝及其合金38三、铝合金的热处理(退火、淬火和时效)3.时效曲线【Al-4%Cu合金】自然时效人工时效热处理§1铝及其合金39四、形变铝合金形变铝合金依据其性能特点可分为四种：

⑴防锈铝合金

LF

⑵硬铝合金

LY

⑶超硬铝合金

LC

⑷锻造铝合金

LD

其中防锈铝合金为不可热处理强化铝合金，其它三种为可热处理强化铝合金。§1铝及其合金40五、铸造铝合金(1.Al-Si系相图)§1铝及其合金41五、铸造铝合金(2.Al-Cu系)Al-Cu系铸造铝合金有较高的强度、耐热性，但密度大、耐蚀性差，铸造性能不好，常用代号有ZL201、ZL202、ZL203等，主要用于制造较高温度下工作的要求高强度的零件，如内燃机气缸头、增压器导风叶轮等。§1铝及其合金42五、铸造铝合金(3.Al-Mg系)Al-Mg系铸造铝合金：耐蚀性好，强度高，密度小，但铸造性能差，耐热性低。常用代号有ZL301、ZL303等，主要用于制造在腐蚀介质下工作的承受一定冲击载荷的形状较为简单的零件，如舰船配件、氨用泵体等。§1铝及其合金43五、铸造铝合金(4.Al-Zn系)Al-Zn系铸造铝合金：Al-Zn系铸造铝合金铸造性能好，强度较高，但密度大，耐蚀性较差。常用代号有ZL401、ZL402等，主要用于制造受力较小、形状复杂的汽车、飞机、仪器零件。§1铝及其合金44五、铸造铝合金(牌号)§1铝及其合金45§2铜及其合金一、纯铜（1）纯铜又称紫铜，密度为8.96g/cm3，熔点为1083.4℃，具有优良的导电性和导热性，其导电性仅次于银。纯铜在大气、淡水中具有良好的耐蚀性，但在海水中较差。纯铜具有面心立方结构，无同素异构转变，无磁性。46一、纯铜（2）σb=200~250MPa，HB:40~50HBS，塑性δ45%~50%；冷变形后，其强度可达400~500MPa，硬度提高到100~200HBS，但伸长率下降到5%以下；退火处理可消除铜的加工硬化；纯铜还具有优良的焊接性能；工业纯铜产品的代号为T1(wCu>99.95%)、T2(wCu>99.9%)、T3(wCu>99.7%)，主要用于配制铜合金，制作导电、导热材料及耐蚀器件等。

§2铜及其合金47二、黄铜（1.普通黄铜）普通黄铜：Cu-Zn二元合金，产品代号H＋Cu％，如H68表示含Cu68%的铜锌合金。单相黄铜：wZn<39%称为，强度低、塑性好，冷塑性加工成板材、线材、管材等，常用H68、H70、H80，主要用作弹壳和精密仪器；两相黄铜：wZn39~45%，热塑性好，一般热轧成棒材、板材，常用H59、H62等，主要用作水管、油管、散热器、螺钉。普通黄铜具有良好的耐蚀性，但冷加工后的黄铜在海水、湿气、氨的环境中容易产生应力腐蚀开裂，应进行去应力退火。§2铜及其合金48二、黄铜（2.特殊黄铜）特殊黄铜：普通黄铜中加入Al、Si、Pb、Sn、Mn、Fe、Ni等，称为铝黄铜、硅黄铜、铅黄铜等。合金元素能提高合金的强度，Al、Sn、Mn、Ni能提高耐蚀性和耐磨性，Mn提高耐热性，Si改善铸造性能，Pb改善切削性能。其表示方法为：H＋主加元素符号＋铜及各合金元素的平均质量分数（w×100），如HPb59-1表示含wCu59%、wPb1%铅黄铜。常用代号有HPb59-1、HSn90-1等，主要用于制造冷凝管、齿轮、螺旋桨、钟表零件等。

§2铜及其合金49二、黄铜（3.铸造黄铜）牌号表示：Z＋铜元素化学符号＋主加元素的化学符号及平均质量分数（w×100）＋其它元素的化学符号及平均质量分数（w×100），如ZCuZn38表示wZn38%、余量为铜的铸造普通黄铜。

§2铜及其合金50二、黄铜（相图含Zn量与力学性能的关系）§2铜及其合金51二、黄铜（牌号）§2铜及其合金52三、青铜青铜：除Zn以外，所有Cu合金的总称。

根据所加主要合金元素Sn、Al、Be、Si、Pb等，青铜分为锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。代号：Q+主加元素符号及平均质量分数(w×100)＋其它元素平均质量分数(w×100)表示，如QSn4-3表示含wSn4%、wZn3%的锡青铜。§2铜及其合金53三、青铜（1.锡青铜）锡青铜的性能受锡含量的显著影响：wSn<5%的锡青铜塑性好，适于进行冷变形加工；wSn=5%～7%的锡青铜热塑性好，适于进行热加工；wSn=10%～14%的锡青铜塑性较低，适于作铸造合金。锡青铜的铸造流动性差，易形成分散缩孔，铸件致密度低，但合金体积收缩率小，适于铸造外形及尺寸要求精确的铸件。§2铜及其合金54三、青铜（1.锡青铜性能）锡青铜的性能：良好的耐蚀性、减磨性、抗磁性和低温韧性，在大气、海水、蒸气、淡水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在亚硫酸钠、酸和氨水中的耐蚀性较差。常用锡青铜：QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等，主要用于制造弹性元件、耐磨零件、抗磁及耐蚀零件，如弹簧、轴承、齿轮、蜗轮、垫圈等。§2铜及其合金55三、青铜（Cu-Sn合金相图）力学性能的关系§2铜及其合金56三、青铜（2.铝青铜）铝青铜的性能：强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐蚀性都高于黄铜和锡青铜，是无锡青铜中应用最广的一种。常用铝青铜：低铝和高铝两种。低铝青铜如QAl5、QAl7等，具有一定的强度，较高的塑性和耐蚀性，一般在压力加工状态使用，主要用于制造高耐蚀弹性元件；高铝青铜如QAl9-4、QAl10-4-4等，具有较高的强度、耐磨性、耐蚀性，主要用于制造齿轮、轴承、摩擦片、蜗轮、螺旋桨等。§2铜及其合金57三、青铜（2.铝青铜相图）力学性能的影响§2铜及其合金58三、青铜（3.鈹青铜）铜合金性能最好的一种铜合金，唯一可固溶强化的铜合金；具有很高的强度、弹性、耐磨性、耐蚀性及耐低温性，良好的导电、导热性，无磁性、受冲击时不产生火花，还具有良好的冷、热加工和铸造性能；常用代号QBe2、QBe1.9等；用于制造重要的精密弹簧、膜片等弹性元件，高速、高温、高压下工作的轴承等耐磨零件，防爆工具等。§2铜及其合金59三、青铜（牌号）§2铜及其合金60§3钛及其合金一、纯钛（性能）Ti：4.507g/cm3，Tm：1688℃。具有同素异构转变，≤882.5℃为密排六方结构的α相，≥882.5℃体心立方结构的β相。纯钛的强度低，但比强度高，塑性好，低温韧性好，耐蚀性很高。钛具有良好的压力加工工艺性能，切削性能较差。钛在氮气中加热可发生燃烧，因此钛在加热和焊接时应采用氩气保护。61一、纯钛（分类－用途）根据杂质含量，钛分为高纯钛（纯度达99.9%）和工业纯钛（纯度达99.5%）。工业纯钛有三个牌号，分别用TA＋顺序号数字1、2、3表示，数字越大，纯度越低。杂质含量对钛的性能影响很大，少量杂质可显著提高钛的强度，故工业纯钛强度较高，接近高强铝合金的水平，主要用于制造350℃以下温度工作的石油化工用热交换器、反应器、船舰零件、飞机蒙皮等。