《材料的凝固》PPT课件.ppt

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1、第二章 材料的凝固Material Concretion,材料由液态转变为固态的过程称为凝固，由于材料通常在固态下使用，所以凝固常常作为材料制备的基本手段。如果凝固后得到晶体，这种凝固过程就称为结晶。如果凝固为非晶体则叫做固体。非晶体的凝固可以看作是粘滞系数连续加大的过程,一、液态金属的结构 1.模型 a.微晶无序模型（准晶体模型）b.随机密堆模型,2 结构起伏（相起伏）不断变换着的近程有序原子集团，大小不等，时而产生，时而消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不稳定现象称为结构起伏。温度越低，结构起伏尺寸越大。,第一节 金属的结晶过程Metal Crystallization,二、

2、结晶过程的分析方法-热分析,所谓金属的结晶是指金属凝固后为晶体结构过程。三、结晶过程的宏观现象 过冷现象:金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固温度Tm的现象.结晶潜热 金属结晶时从液相转变为固 相放出的热量称为结晶潜热。冷却曲线：表示液体金属的冷却温度和时间的对应关系。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。T=Tm-Tn。,四、金属的凝固过程-形核，长大,t1 形核,t3 长大形成晶粒,t2 形核并长大，有新的晶核形成,t4 液体消失，结晶结束,第二节 金属的结晶理论 Metal Crystallography Theory,一、金属结晶的过程,1.晶核的生成(形核）：均匀形核；不均匀

3、形核2.晶核的长大（长大）：树枝状长大，等轴状长大,二、金属结晶的热力学条件,自由能随温度、压力而变化:dG=VdP-SdT 其中，V：体积，P：压力冶金系统中，压力可视为常数,即dP=0在交点温度（Tm）：两相自由能相等，即GL=GS平衡共存TTm：液、固两相的自由能差值是两相间发生相转变（LS的驱动力。,液 固，单位体积自由能的变化 Gv为（1）其中：Lm为熔化潜热 T=Tm时，Gv=0（2）将（2）代入（1），,即GV 与 T 呈直线关系，过冷度越大，液态和固态的自由能差值越大，相变驱动力越大，凝固过程加快。,三、金属结晶的结构条件液态金属的结构 长程无序，短程有序，结构起伏 短程有序的

4、原子集团是形核的结构条件。,界面自由能,体积自由能,G,晶胚,晶核,rK,r0,r,GK,晶核半径与G的关系,“结构起伏”的尺寸，大小与温度有关，温度越低，“结构起伏”尺寸越大，当温度降到熔点以下时，这种晶坯的尺寸较大，其中的原子组成了晶态的规则排列，而其外层原子却与液体金属中不规则排列的原子相接触而构成界面。因此，当过冷液体中出现晶坯时，一方面由于在这个区域中原子由液态的聚集状态转变为固态的排列状态，使体系的自由能降低（固、液相之间的体积自由能差）；另一方面，由于晶坯构成新的表面，又会引起表面自由能的增加（单位面积表面能）。,假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液体中出现一个晶胚时，总的自由能变

5、化：G=V GV+A=-（4/3）r3 GV+4 r2 V、A：晶胚的体积及表面面积，GV：液、固两相单位体积自由能差绝对值，由于过冷到熔点以下时，自由能为负值,rr*时，随晶胚长大，系统自由能降低，凝固过程自动进行。r=r*时，可能长大，也可能熔化，两种趋势都是使自由能降低的过程，将r*的晶胚称为临界晶核，只有那些略大于临界半径的晶核，才能作为稳定晶核而长大，所以金属凝固时，晶核必须要求等于或大于临界晶核。极值点处（2）将（3）代入（2）：（4）,v,临界晶核半径随过冷度增大而减小。将（2（3)（4）代入（1）式：(5)称为临界晶核形成功，简称形核功，即形成临界晶核时要有值的自由能增加，与T

6、2成反比。将（4）式代入(6)（6）式表明，当r=r*时，临界晶核形成时的自由能增高等于其表面能的1/3，此形核功是过冷液体金属开始形核时的主要障碍。形核功来自何方？在没有外部供给能量的条件下，依靠液体本身存在的“能量起伏”来供给,四、长大 晶核的长大需要两个条件：首先要求液相能不断地向晶体表面扩散供应原子，使晶面向液相扩展，这要求液相原子具有较大的扩散能力，温度足够高。另外，晶体表面能不断的牢固的接纳这些原子，这就意味着体积自由能变化应大于表面自由能的增加，即在一定的过冷度下进行。因此，晶核的长大方式和速度与晶核的界面结构、界面附近的温度梯度等条件有关。,五、晶粒大小的控制 晶体中晶粒的大小

7、，对金属性能有很大的影响。晶体越细，金属的强度、硬度、韧性等机械性能越好。1晶粒度的概念 指实际金属结晶后组成金属的晶粒尺寸。对性能有明显影响。由形核率（N）和长大速率（G）决定。N/G越大，晶粒越小。2晶粒度的控制 a：提高过冷度，使金属的形核率得到提高，细化晶粒。b：进行变质处理，加入变质剂，增加晶核的数量，细化晶粒。c：振动、搅拌等。,AlMg合金没有变质处理晶粒,AlMg合金经过变质处理晶粒,第三节 铸态组织与缺陷Structuer&Lacuna on Foundry,一、铸态三晶区的形成 表层细晶区柱状晶区中心等轴晶区,二、三晶区的特点柱状晶区：塑性较低，不利于塑性变形，性能有方向性

8、。等轴晶区：性能均匀，无方向性，塑性较好细晶区：性能最好,三、铸造缺陷 铸造中常见的缺陷有缩孔、气孔和偏析。偏析缩孔 气孔 夹杂,第四节 凝固理论的实际应用举例,一、铸锭（铸件）的宏观组织控制：三层典型组织,1.激冷层（表面细晶区）2.柱状晶区3.中心等轴晶区,1.激冷层（表面细晶区）,2.柱状晶区,3.中心等轴晶区,弱面,二、铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况下可得到全部为柱状晶和等轴晶,柱状晶形成弱面，热轧时开裂,三、铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况下可得到全部为柱状晶和等轴晶,铸锭中心等轴晶粒的来源：仔晶卷入，枝晶漂移，晶体下沉,例：三个成份相同，但铸造温度和铸模材料不同的铸件得到

9、三种横截面：A.粗等轴晶 B.细等轴晶 C.典型三层晶带组织，试解释为何产生不同的组织。A 高的浇注温度，导热性差的砂模B 低的浇注温度,导热性差的砂模C 适中的浇注温度,导热性好的砂模,第五节 其它合金制备技术一、非晶态合金 在特殊的冷却条件下金属可能不经过结晶过程而凝固成保留液体短程有序结构的非晶态金属，一般其结构与液态相同也就是把液态金属原子排列固定到固态。非晶态金属又称为金属玻璃。非晶态金属具有一系列突出的性能，如具有很高的室温强度、硬度和刚度，具有良好的韧性和塑性。由于非晶态无晶界、相界、无位错、无成分偏析，所以有很高的耐蚀性及高电阻率、高导磁率、低磁损和低声波衰减率等特性，广泛用于

10、高技术领域。,1、非晶态合金的制备,非晶态的形成倾向和稳定性，一般用下述参数衡量 A：TG=TM-TG TM：熔点 TG：玻璃化温度TG越小，越易获得非晶态 B：TC=TC-TG TC：非晶态的晶化温度 TC增加，非晶态的稳定性增加,2、急冷凝固技术,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。采用急冷凝固技术可以制备出非晶态合金、微晶合金及准晶态合金，为高技术领域所需的新材料的获取开辟了一条新路。急冷凝固方法按工艺原理可分为三类，即模冷技术、雾化技术和表面快冷技术。,3、

11、急冷凝固技术模冷技术、雾化技术,模冷技术 是将溶体分离成连续和不连续的，截面尺寸很小的熔体流，使其与散热条件良好的冷模接触而得到迅速凝固，得到很薄的丝或带。如平面流铸造法，熔体拖拉法。雾化技术 是把熔体在离心力、机械力或高速流体冲击力作用下，分散成尺寸极小的雾壮熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中凝固，得到急冷凝固的粉末。常用的有离心雾化法、双辊雾化法。,由模冷技术和雾化技术所得的制品多为薄片、线体、粉末。要得到尺寸较大得急冷凝固材料的制品用于制造零件，还需将粉末等利用固结成型技术如冷热挤压法、冲击波压实法等使之在保持快冷的微观组织结构条件下，压制成致密的制品。,4、急冷凝固技术表面快热技术,表

12、面快热技术 即通过高密度的能束如激光或高能电子束扫描工件表面使工件表面熔化，然后通过工件自身吸热散热使表层得到快速冷却。也可利用高能电子束加热金属粉末使之熔化变成熔滴喷射到工件表面，利用工件自冷，熔滴迅速冷凝沉积在工件表面上，如等离子喷涂沉积法。,二、微晶合金,利用急冷技术可以获得晶粒尺寸达微米和纳米的超细晶粒合金材料，我们称之为微晶合金和纳晶合金。急冷凝固的晶态合金的晶粒大小随冷速增加而减小。作为结构用的微晶合金制备都是由急冷产品通过冷热挤压、冲击波压实法来制备的。微晶结构材料因晶粒细小，成分均匀，空位、位错、层错密度大，形成了新的亚稳相等因素而具有高强度、高硬度、良好的韧性、较高的耐磨性、

13、耐蚀性及抗氧化性、抗辐射稳定性等优良性能。,三、准晶合金,晶体物质的点阵具有周期性的对称性。对称性是指晶体经某种对称操作后能复原的一种属性。例如在晶体中取一直线令晶体绕该轴转动，若晶体转360复原一次称为该晶体具有一次对称轴，复原两次称为具有二次对称轴，依此类推。理论证明，晶体物质只有 1、2、3、4、6五种对称轴。没有五次及高于六次的对称轴，否则晶胞不能填满空间，而形成空隙破坏晶体的周期性。,一次对称轴,二次对称轴,三次对称轴,四次对称轴,五次对称轴,六次对称轴,七次对称轴,八次对称轴,急冷技术的发展和研究，1984年发现了有五次对称轴的晶体，原子在晶体内部长程有序，具有准周期性，介于晶体与

14、非晶体之间。遵循形核、长大规律完成液、固转变，相变受原子扩散控制准晶必须在一定冷速范围内形成。Al-Mn,Al Co,Al-Mn-Fe,Al V,Al-Mn-Si,Pd-U-Si 合金中发现了准晶体,五次对称轴准晶体,第六节 材料的同素异构Allotropy Transformation on Metal,1、同素异构 有些材料在固态时仅有一种晶体结构，如铝、铜、银、金等等，可是有些材料则不然，在固态时有两种或多种晶体结构，如铁、锰、钴等。固态材料在不同温度或压强下具有不同晶体结构的现象，称为材料的同素异构现象，也叫做材料的多晶型性。具有多晶型性的金属，当温度或压强改变一定值时其结构会发生变化，从一种晶格转变为另一种晶格，（即原子排列方式发生变化）这叫同素异构转变，也叫多晶型性转变。如纯铁，FeFeFe,2、同分异构 化学成分相同，而组成原子排列不同的分子结构现象称为同分异构。在有机物质中经常出现。,