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第三章纯金属的凝固

(SolidificationofPureMetals)3.1纯金属的结晶过程3.2结晶的热力学条件3.3形核规律3.4长大规律3.5结晶理论的某些实际应用2/27/20248:35:43AM概括物质由液态至固态的转变过程凝固(Solidification)物质由液态转变为结晶态固体的过程结晶(Crystallization)凝固过程及其规律控制铸件质量,提高制品性能为后面学习固态相变打下基础2/27/20242Dalian

JiaotongUniversityExamplesofSolidificationFigure3.1Animageofabronzeobject.ThisCanteen(bianhu)fromChina,WarringStatesperiod,circa3rdcenturyBCE(bronzeinlaidwithsilver).(CourtesyofFreerGalleryofArt,SmithsonianInstitution,Washington,D.C.)Figure3.2(a)Aluminumalloywheelsforautomotives,(b)opticalfibersforcommunication.(CourtesyofPhotoDisc/GettyImages.)2/27/20243Dalian

JiaotongUniversity3.1纯金属的结晶过程

(CrystallizationProcessofPureMetals)一、液态金属的结构(Structureofliquidmetals)气体液体固体有一定的体积,无固定形状体积、形状都不固定体积、形状都固定液体结构更接近固体由X射线衍射对液态金属的径向分布密度函数的测定表明:液体中原子间的平均距离比固体中略大。液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数减小,通常在8~11的范围内。上述两点均导致熔化时体积略为增加,但对非密排结构的晶体如Sb,Bi,Ga,Ge等,则液态时配全数反而增大,故熔化时体积略为收缩。

2/27/20244Dalian

JiaotongUniversity金属的液态结构金属结构理论认为,液体中原子堆集是密集的,但排列不那么规则。液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序,短程有序,并且短程有序原子集团不是固定不变的,它是一种此消彼长,瞬息万变,尺寸不稳定的结构,这种现象称为结构起伏(相起伏),这有别于晶体的长程有序的稳定结构。

这种近程有序的原子集团称为晶胚。在具备一定条件时,大于一定尺寸的晶胚就会成为可以长大的晶核。液态金属的动态图像:大小不一的近程有序排列原子集团此起彼伏-结构起伏。2/27/20245Dalian

JiaotongUniversity二、纯金属的结晶过程结晶过程是一个形核(Nucleation)和晶核长大(Growth)的过程图3.3纯金属结晶过程示意图Crystallizationbeginswiththeformationofsolidnucleiwhichthengrowbyconsumingthemelt.2/27/20246Dalian

JiaotongUniversity2/27/20247Dalian

JiaotongUniversity结晶过程结晶过程是由形核和长大两个过程交错重叠在一起的,对一个晶粒来说,它严格地区分为形核和长大两个阶段,但从整体上来说,两者是互相重叠交织在一起的。当液态金属缓慢地冷到结晶温度以下,经过一定时间,开始出现第一批晶核。随时间推移,已形成的晶核不断长大,同时在液态中又会不断形成新的晶核并逐渐长大,直到液体全部消失为止。2/27/20248Dalian

JiaotongUniversity3.2结晶的热力学条件

(ThermodynamicConditionsofCrystallization)一、结晶的过冷现象

(Undercoolingphenomenonofcrystallization)时间t温度TTnTm

T图3.4纯金属的冷却曲线只有冷却到Tm以下的某个温度才开始形核,而后长大并放出大量潜热,使温度回升到略低于Tm温度。纯金属液体在平衡结晶温度Tm时,不会结晶。结晶完成后,由于没有潜热放出,温度继续下降。2/27/20249Dalian

JiaotongUniversity结晶的热力学条件过冷度平衡结晶温度Tm与实际温度Tn之差,

T=Tm-Tn二、结晶的热力学条件

(ThermodynamicConditionsofCrystallization)GSGL△G=△GS-△GL<0由热力学第二定律,在等温等压下,一切自发过程都朝着使系统自由能降低的方向进行。温度T自由能G图3.5液相和固相自由能随温度变化示意图Tm曲线上GL=GS对应的温度Tm称为平衡结晶温度只有在T<Tm时,才有GS<GL,结晶才有驱动力,即结晶必须在过冷条件下才能发生。△T2/27/202410Dalian

JiaotongUniversity两条斜率不同的曲线必然相交于一点,该点表示液、固两相的自由能相等,故两相处于平衡而共存,此温度即为理论凝固温度,也就是晶体的熔点Tm。事实上,在此两相共存温度,既不能完全结晶,也不能完全熔化,要发生结晶则体系必须降至低于Tm温度,而发生熔化则必须高于Tm。

结晶的热力学条件根据热力学,无论金属是液态还是固态,其自由能均随温度和压力的变化而变化,即由于结晶一般在等压下进行,即dp=0,所以上式可写为:或∵S>0,∴T↑,G↓由于液相原子排列的混乱程度比固相金属的大,即SL>SS,也就是液相自由能曲线的斜率较固相的大,两曲线相交于一点,对应温度为Tm。2/27/202411Dalian

JiaotongUniversity结晶的热力学条件该式表明,过冷度越大,结晶的驱动力也越大。其中:-(HL-HS)=Lm即熔化潜热。当结晶温度时,△GV=0,即当T<Tm

时,由于△S的变化很小,可视为常数,所以当液相向固相转变时,单位体积自由能的变化△GV与过冷度△T的关系:2/27/202412Dalian

JiaotongUniversity3.3形核规律(FormationofNuclei)一、均匀形核(Homogeneousnucleation)形核:均匀形核非均匀形核(Heterogeneousnucleation)均匀形核液相中各个区域出现新相晶核的几率相同,又称均质形核或自发形核。非均匀形核新相晶核优先出现于液相中的某些区域。新相晶核是在母相中均匀地生成的,即晶核由液相中的一些原子团直接形成,不受杂质粒子或外表面的影响。新相优先在母相中存在的异质处形核,即依附于液相中的杂质或外来表面形核。

在实际熔液中不可避免地存在杂质和外表面(例如容器表面),因而其凝固方式主要是非均匀形核。但是,非均匀形核的基本原理是建立在均匀形核的基础上的,因而先讨论均匀形核。2/27/202413Dalian

JiaotongUniversityNucleation-Thephysicalprocessbywhichanewphaseisproducedinamaterial.Criticalradius(r*)-Theminimumsizethatmustbeformedbyatomsclusteringtogetherintheliquidbeforethesolidparticleisstableandbeginstogrow.Undercooling-Thetemperaturetowhichtheliquidmetalmustcoolbelowtheequilibriumfreezingtemperaturebeforenucleationoccurs.Homogeneousnucleation-Formationofacriticallysizedsolidfromtheliquidbytheclusteringtogetherofalargenumberofatomsatahighundercooling(withoutanexternalinterface).Heterogeneousnucleation-Formationofacriticallysizedsolidfromtheliquidonanimpuritysurface.2/27/202414Dalian

JiaotongUniversity均匀形核均匀形核的能量条件当过冷液体中出现晶胚时,一方面由于在这个区域中原子由液态的聚集状态转变为晶态的排列状态,使体系内的自由能降低(ΔGv<0),这是相变的驱动力;另一方面,由于晶胚构成新的表面,又会引起表面自由能的增加,这构成相变的阻力。在液—固相变中,晶胚形成时的体积应变能可在液相中完全释放掉,故在凝固中不考虑这项阻力。但在固—固相变中,体积应变能这一项是不可忽略的。假定晶胚为球形,半径为r,当过冷液中出现一个晶胚时,总的自由变化为式中△GV(<0)是固液相单位体积自由能差,σ为比表面能,可用表面张力表示,r、V、S为晶胚半径、体积、表面积。

2/27/202415Dalian

JiaotongUniversity©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.Figure3.6Aninterfaceiscreatedwhenasolidformsfromtheliquid2/27/202416Dalian

JiaotongUniversityFigure3.7Thetotalfreeenergyofthesolid-liquidsystemchangeswiththesizeofthesolid.Thesolidisanembryo(晶胚)ifitsradiusislessthanthecriticalradius,andisanucleusifitsradiusisgreaterthanthecriticalradius32/27/202417Dalian

JiaotongUniversity在一定温度下,ΔGV和σ是确定值,所以ΔG是r的函数。ΔG在半径为rc时达到最大值。根结热力学第二定律,只有系统的自由能降低时,晶胚才能稳定存在并长大。当晶胚的r<rc时,则其长大将导致体系自由能的增加,故这种尺寸晶胚不稳定,难以长大,最终熔化而消失。当r>rc时,晶胚的长大使体系自由能降低,这些晶胚就成为稳定的晶核。因此,半径为rc的晶核称为临界晶核,

rc为临界晶核半径。均匀形核将代入得:由此可见这说明随过冷度增加,临界晶核半径减小,这意味着形核的几率增加。2/27/202418Dalian

JiaotongUniversity均匀形核当r>rc的晶核长大时,虽然系统的自由能下降,但形成一个临界晶核本身却要引起系统自由能增加△Gc,所以临界晶核的形成是需要能量的。△Gc称为临界形核功,简称形核功。当r=rc时整理并代入Lm:该式表明:即过冷度增加,形核功减小。由于临界晶核表面积所以说明形成临界晶核时,自由能差只能提供所需表面能的2/3,另外1/3需由液相中的能量起伏来提供。2/27/202419Dalian

JiaotongUniversity综上所述,均匀形核必需具备的条件为:均匀形核所谓能量起伏是指系统中各微小体积所具有的能量短暂偏离其平均能量的现象。由于液相中存在能量起伏,当液相中的某一微观区域的高能量原子附着于晶核上时,将释放一部分能量,一个稳定的晶核便在这里形成,这就是形核时所需能量的来源。必需过冷。过冷度越大,形核驱动力越大,临界晶核半径rc和形核功△Gc越小。具备与一定过冷度相适应的结构起伏。具备与一定过冷度相适应的能量起伏。2/27/202420Dalian

JiaotongUniversity形核率(Nucleationrate)均匀形核是指在单位时间单位体积液相中形成的晶核的数目。形核率N形核率对于实际生产十分重要,形核率高意味着单位体积内的晶核数目多,结晶结束后可以获得细小晶粒的金属材料。这种金属材料不但强度高,塑性、韧性也好。形核率受两个矛盾的因素控制:过冷度和扩散。其中,N为总形核率,N1为受形核功影响的形核率因子,N2为受扩散影响的形核率因子,△Gc

为形核功,Q为扩散激活能,R为气体常数。2/27/202421Dalian

JiaotongUniversity均匀形核N1、N2、N温度N1N2NN△T~0.2Tm有效成核温度Tm(a)与温度的关系图3.8形核率与温度及过冷度的关系(b)与过冷度的关系(a)(b)过冷度不大时,形核率主要受形核功因子控制,过冷度增大,形核率增大;过冷度非常大时,形核率主要受扩散因子控制,过冷度增大,形核率下降。2/27/202422Dalian

JiaotongUniversity2/27/202423Dalian

JiaotongUniversity二、非均匀形核(Heterogeneousnucleation)临界晶核半径和形核功©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.Figure3.9Asolidformingonanimpuritycanassumedthecriticalradiuswithasmallerincreaseinthesurfaceenergy.Thus,heterogeneousnucleationcanoccurwithrelativelylowundercoolings2/27/202424Dalian

JiaotongUniversity非均匀形核图3.10非均匀形核示意图设一个晶核

在型壁平面上形成,

的形状为截自半径为r的球的球冠,球冠底圆半径为R,L为液相。2Rr

LW

W

L

WWLL若晶核形成时,体系增加的表面能为△GS,则在三相交点处,表面张力应达到平衡(1)(2)2/27/202425Dalian

JiaotongUniversity非均匀形核由几何学于是(1)式为晶核形成时,体系总的自由能变化为整理得与均匀形核的△G相比,只差一系数用讨论均匀形核的方法,得非均匀形核的临界晶核半径rc可以看出,非均匀形核的临界球冠半径与均匀形核的临界球形半径是相等的。2/27/202426Dalian

JiaotongUniversity非均匀形核均匀形核的临界晶核是半径为rc的球体,而非均匀形核的临界晶核是半径为rc的球上的一个球冠。显然,非均匀形核的临界晶核的体积要比均匀形核的小。同样,把临界晶核半径代入总自由能变化的表达式,可求出形核功比较有因为

只能在0~

间变化,cos

相应在1~-1之间变化。上式因子恒小于1。<1这表明非均匀形核比均匀形核所需的形核功要小,所以,它可以在较小的过冷度下发生,形核容易。2/27/202427Dalian

JiaotongUniversity非均匀形核因为

越小,越小,△Gc非越小。那么与什么有关?所以,

W越小则越小。而

W决定于晶体与杂质粒子的结构相似性,这被称为点阵匹配原理。当

=0时,Gc=0,表示完全润湿,不需要形核功。当=0~180°时,Gc非<△Gc,非均匀形核球冠体积小于均匀形核球形晶核体积,越小,

Gc非越小,非均匀形核越容易,需要的过冷度也越小。

当=180°时,Gc非=△Gc均,非均匀形核与均匀形核的形核功相等。2/27/202428Dalian

JiaotongUniversity非均匀形核

=180°=0图3.11不同润湿角的晶核形状形核率(Nucleationrate)非均匀形核的形核率与均匀形核的相似,但除了受过冷度和温度的影响外,还受固态杂质的结构、数量、形貌及其它一些物理因素的影响。⑴过冷度的影响均匀形核与非均匀形核的形核率随过冷度变化的比较。均匀形核△T=0.2Tm,非均匀形核△T=0.02Tm,约为前者的十分之一。2/27/202429Dalian

JiaotongUniversity非均匀形核⑵固体杂质结构的影响非均匀形核的形核功与接触角

有关,它的大小取决于液体、晶核及固态杂质三者之间表面能的相对大小(点阵匹配原理)。即固态质点与晶核的表面能越小,它对形核的促进效应就越高。例如:锆(Zr)能促进镁(Mg)的非均匀形核;铁(Fe)能促进铜(Cu)的非均匀形核;钛(Ti)能促进铝合金的非均匀形核。⑶固体杂质形貌的影响固态杂质表面的形状各种各样,有的呈凸曲面,有的呈凹曲面,还有的为深孔,这些基面具有不同的形核率。在曲率半径、接触角相同的情况下,晶核体积随界面曲率的不同而改变,凹曲面的形核效能最高,因为较小体积的晶胚便可达到临界晶核半径,平面居中,凸曲面的效能最低。铸型壁上的深孔或裂纹是属于凹曲面情况,这些地方有可能成为促进形核的有效界面。2/27/202430Dalian

JiaotongUniversity⑷过热度的影响过热度是指金属熔点与液态金属温度之差。当过热度不大时,对非均匀形核没有影响;当过热度较大时,使形核率降低。⑸其它影响因素非均匀形核还受其它一系列物理因素的影响,如进行振动或搅拌。非均匀形核

图3.12不同形状的固体杂质表面形核的晶核体积2/27/202431Dalian

JiaotongUniversity形核规律综上所述,金属的结晶形核有以下要点:①

液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行,液态金属的过冷度必须大于临界过冷度,晶胚尺寸必须大于临界晶核半径rc。②

rc值大小与晶核的表面能成正比,与过冷度成反比。③

均匀形核既需要结构起伏,也需要能量起伏,二者皆是液体本身存在的自然现象。④

晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程,因此结晶必须在一定的温度下进行。⑤

在工业生产中,液体金属的凝固总是以非均匀形核方式进行。2/27/202432Dalian

JiaotongUniversity3.4长大规律(GrowthofNuclei)一、液-固界面的微观结构(Microstructureofthesolid-liquidinterface)形核之后,晶体长大,其涉及到长大的形态,长大方式和长大速率。形态常反映出凝固后晶体的性质,而长大方式决定了长大速率,也就是决定结晶动力学的重要因素。

液固界面按微观结构可分两种:光滑界面和粗糙界面1.光滑界面从微观尺度观察时,光滑界面呈参差不齐的锯齿状(又称小平面界面、结晶学界面),两侧的固液两相是截然分开的;从原子尺度观察时,这种界面是光滑平整的。

2.粗糙界面从微观尺度观察时,这种界面是平整的;从原子尺度观察时,这种界面高低不平,并存在着厚度为几个原子间距的过渡层。这种界面是粗糙的(又称非小平面界面、非结晶学界面)。

2/27/202433Dalian

JiaotongUniversity液-固界面的微观结构图3.13液固界面的微观结构示意图(a)(b)(a)光滑界面(b)粗糙界面2/27/202434Dalian

JiaotongUniversity图3.14

透明水杨酸苯脂晶体的小面形态

×60

图3.15

透明环己烷凝固成树枝形晶体

×60

光滑界面宏观看是由多个小平面组成,是不平整的;粗糙界面是平整光滑的。液-固界面的微观结构常见金属的液固界面为粗糙界面,一些非金属、亚金属、金属化合物的液固界面多为光滑界面。2/27/202435Dalian

JiaotongUniversity晶核的长大机制二、晶核的长大机制(Growthmechanismofnuclei)晶核长大也需要过冷度。长大所需的界面过冷度称为动态过冷度(Kineticundercooling),用△Tk表示。动态过冷度比形核过冷度小。具有光滑界面的物质,△Tk约为1~2℃,具有粗糙界面的物质,△Tk

仅为0.01~0.05℃。不同类型界面,其长大机制不同。具有粗糙界面物质的长大机制对粗糙界面,界面上的所有位置都是生长位置,所以液相原子可以连续地、垂直地向界面添加,界面的性质永远不会改变,从而使界面迅速地向液相推移。这种长大方式称为垂直长大。它的长大速度很快,大部分金属均以这种方式长大。

具有光滑界面物质的长大机制光滑界面物质的长大机制可能有以下两种。2/27/202436Dalian

JiaotongUniversity晶核的长大机制当固液界面为光滑界面时,依靠液相中的结构起伏和能量起伏,使一定大小的原子集团差不多同时降落到光滑界面上,形成具有一个原子厚度和一定宽度的平面原子集团。它好象是润湿角

=0时的非均匀形核一样,形成一个大于临界半径的晶核,即二维晶核。同时,它的四周就出现了台阶。一层铺满后,要重新形成二维晶核。所以这种方式长大时,其长大速度十分缓慢。界面上反复形成二维晶核的长大机制依靠晶体缺陷的长大机制液体中的原子不断添加到晶体缺陷的台阶上使晶体长大。如光滑界面可以靠螺型位错露头形成台阶而长大。在这种长大方式,会出现生长蜷线,生长速率也很小。2/27/202437Dalian

JiaotongUniversity晶核的长大机制图3.16光滑界面的生长机制示意图(a)二维晶核机制(b)台阶机制(a)(b)Fig.3.17Developmentofagrowthspiralonacrystalsurfaceintersectedbyascrewdislocation.2/27/202438Dalian

JiaotongUniversityCrystalGrowthCrystalgrowthisthereverseoftheformationofascrewdislocation.Acrystalmaygrowbyadditionofatomstoajogontheledgethatformswhenthescrewdislocationintersectsthesurface.2/27/202439Dalian

JiaotongUniversity纯金属的生长形态三、纯金属的生长形态(Shapeofthesolid-liquidinterface)纯晶体凝固时的生长形态不仅与液-固界面的微观结构有关,而且取决于界面前沿液相中的温度分布情况,温度分布可有两种情况:正的温度梯度和负的温度梯度,如图所示。

图3.18两种温度分布方式(a)正温度梯度(b)负温度梯度界面固相液相过冷度(a)温度距离Tm界面固相液相过冷度(b)温度距离Tm2/27/202440Dalian

JiaotongUniversity在这种条件下,结晶潜热只能通过固相而散出,相界面的推移速度受固相传热速度所控制。晶体的生长以接近平面状向前推移,这是由于温度梯度是正的,当界面上偶尔有凸起部分而伸入温度较高的液体中时,它的生长速度就会减缓甚至停止,周围部分的过冷度较凸起部分大而会赶上来,使凸起部分消失,这种过程使液-固界面保持稳定的平面形态。这类物质其△Tk很小,所以界面几乎与Tm等温面重合。在正的温度梯度下的情况正的温度梯度指的是随着离开液-固界面的距离z的增大,液相温度T随之升高的情况,即dT/dz>0。纯金属的生长形态粗糙界面时光滑界面时因为光滑界面向液体推进时,原子必须通过台阶的侧向扩展而生长,所以界面是台阶状,小平面与Tm等温面呈一定角度。2/27/202441Dalian

JiaotongUniversity在dT/dx>0时,这些小平面也不能过多地凸向液体,所以界面从宏观上看也是平行Tm等温面的。纯金属的生长形态温度温度距离距离TmTmTm等温面固相固相液相液相图3.19正温度梯度下的两种界面形状(a)(b)(a)台阶状(光滑界面)(b)平面状(粗糙界面)2/27/202442Dalian

JiaotongUniversityFigure3.20Whenthetemperatureoftheliquidisabovethefreezingtemperatureaprotuberanceonthesolid-liquidinterfacewillnotgrow,leadingtomaintenanceofaplanerinterface.Latentheatisremovedfromtheinterfacethroughthesolid.纯金属的生长形态©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.(突起)2/27/202443Dalian

JiaotongUniversity相界面上产生的结晶潜热即可通过固相也可通过液相而散失。相界面的推移不只由固相的传热速度所控制,在这种情况下,如果部分的相界面生长凸出到前面的液相中,则能处于温度更低(即过冷度更大)的液相中,使凸出部分的生长速度增大而进一步伸向液体中。在这种情况下液-固界面就不可能保持平面状而会形成许多伸向液体的分枝(沿一定晶向轴),同时在这些晶枝上又可能会长出二次晶枝,在二次晶枝再长出三次晶枝,如图3.21所示。纯金属的生长形态负的温度梯度是指液相温度随离液-固界面的距离增大而降低,即dT/dz<0。当相界面处的温度由于结晶潜热的释放而升高,使液相处于过冷条件时,则可能产生负的温度梯度。在负的温度梯度下的情况粗糙界面2/27/202444Dalian

JiaotongUniversity纯金属的生长形态晶体的这种生长方式称为树枝生长或树枝状结晶,所得的晶体称树枝晶(Dendrite)。具有粗糙界面的金属,通常以树枝晶方式长大。树枝状生长时,伸展的晶枝轴具有一定的晶体取向,这与其晶体结构类型有关,例如:面心立方<100>,体心立方<100>,密排六方,体心四方为<110>。2/27/202445Dalian

JiaotongUniversity纯金属的生长形态具有光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时,仍有可能长成树枝状晶体,但往往带有小平面的特征;在负的温度梯度较小时,仍有可能长成规则的几何外形。光滑界面图3.21树枝晶2/27/202446Dalian

JiaotongUniversity©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.Figure3.21(a)Iftheliquidisundercooled,aprotuberanceonthesolid-liquidinterfacecangrowrapidlyasadendrite.Thelatentheatoffusionisremovedbyraisingthetemperatureoftheliquidbacktothefreezingtemperature.(b)Scanningelectronmicrographofdendritesinsteel(x15)纯金属的生长形态2/27/202447Dalian

JiaotongUniversityFigure3.22(a)Thesecondarydendritearmspacing(SDAS).(b)Dendritesinanaluminumalloy(x50).(FromASMHandbook,Vol.9,MetallographyandMicrostructure(1985),ASMInternational,MaterialsPark,OH44073-0002.)纯金属的生长形态2/27/202448Dalian

JiaotongUniversity3.5结晶理论的某些应用

(SomeApplicationsofCrystallizationTheory)一、细化金属铸件晶粒的一些方法金属结晶时,晶粒的大小取决于形核率和长大速度的相对大小,即取决于形核率N和长大速度G之比,比值N/G越大,晶粒越小。单位体积中的晶粒数目为ZV=0.9(N/G)3/4单位面积中的晶粒数目为ZS=1.1(N/G)1/2因此,凡能促进形核,抑制长大的因素,都能细化晶粒,相反,凡是抑制形核,促进长大的因素,都使晶粒粗化。晶粒的大小称为晶粒度,常用晶粒的平均面积或平均直径表示。晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响,在常温下,金属的晶粒越细小,强度和硬度则越高,同时塑性韧性也越好。用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。2/27/202449Dalian

JiaotongUniversity细化金属铸件晶粒的一些方法在一般金属结晶时的过冷度范围内,过冷度越大,则比值N/G越大,因而晶粒越细。增加过冷度的方法主要是提高液态金属的冷却速度。如采用金属模;模外强制冷却;砂模中加冷铁;低温浇注等。该方法受到铸件尺寸的限制。变质处理(inoculation)提高过冷度用增加过冷度的方法细化晶粒只对小型或薄壁零件有效,为此,工业上广泛采用变质处理的方法。变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂(又称变质剂),促进大量的非均匀形核来细化晶粒。如在铝合金中加入钛和锆,在钢中加入钛、锆、钒,在铸铁中加入硅铁或硅钙合金。2/27/202450Dalian

JiaotongUniversity细化金属铸件晶粒的一些方法对即将凝固的金属进行振动或搅拌,一方面是依靠从外面输入能量促使晶核提前形成,另一方面是使成长中的枝晶破碎,使晶核数目增加,这已成为一种有效的细化晶粒的重要手段。振动、搅拌二、定向凝固技术(Directionalsolidificationtechnique)定向凝固技术:通过单向散热,使凝固从铸件一端开始,沿陡峭的温度梯度方向逐步发生,获得方向性的柱状晶或层片晶的一种凝固技术。方法:下降功率法、快速逐步凝固法垂直于水冷板的柱状晶组织:2/27/202451Dalian

JiaotongUniversity定向凝固技术感应线圈1感应线圈2液体固体水冷铜板液体固体感应线圈拉动方向图3.23定向凝固示意图(a)功率下降法(b)快速逐步凝固法水冷铜板2/27/202452Dalian

JiaotongUniversity单晶的制备利用定向凝固技术生产的涡轮叶片使柱状晶的晶柱方向与叶片的最大承载方向保持一致,显著提高了叶片的使用寿命。柱状晶致密并具有方向性。磁性铁合金沿[100]方向具有最大的导磁率,用定向凝固技术制取柱状晶晶轴为[100]方向的磁性铁合金是优良的磁性材料。三、单晶的制备(Singlecrystalmaking)单晶体就是由一个晶粒组成的晶体。制取单晶体的基本原理:保证液体结晶时只形成一个晶粒,再由这个晶核长成一整块单晶体。2/27/202453Dalian

JiaotongUniversity单晶的制备1.垂直提拉法熔体石英管热电偶感应线圈石墨坩埚籽晶晶体感应线圈绝缘层熔体晶体模子图3.24单晶体制备原理(a)垂直提拉法(b)尖端形核法(a)(b)2.尖端形核法2/27/202454Dalian

JiaotongUniversity急冷凝固技术四、急冷凝固技术(Rapidsolidificationtechnique)急冷凝固技术是设法将熔体分割成尺寸很小的部分,增大熔体的散热面积,再进行高强度冷却,使熔体在短时间内凝固以获得与模铸材料结构、组织、性能显著不同的新材料的凝固方法。

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