《金属快速凝固与非晶》第四章教程.pptx

第四章 热力学深过冷快速凝固 ;;深过冷技术;为什么要用深过冷技术;?实现大过冷技术的途径： ?消除金属熔体内部形核媒质 ? 分离熔体为熔滴； ?消除容器壁的形核媒质 ? 金属熔体与容器壁分离。 ?当熔滴很小、数量很多时，每个熔滴中的形核媒质数目非常少，从而产生接近均匀形核的条件。 ;过冷及过冷度的遗传;实现深过冷： 将液态纯金属或合金冷却到其液相线以下时，尽可能减少或消除熔体中存在的任何杂质（异质晶胚） Turnbull： 熔体极限过冷度为纯金属或合金熔点的0.2倍。 Laxmanan： ?T= ?Tt+ ?Tc+ ?Tr+ ?Tk ?T 金属或合金熔体的过冷度 ?Tt 熔体的热力学过冷度 ?Tc 熔体的成分过冷度 ?Tr 熔体中枝晶生长尖端曲率引起的曲率过冷度（Gibbs-Thomson过冷度） ?Tk 熔体的动力学过冷度;过冷度的遗传性;过冷度的理论极限;;实现深过冷的实验方法;热力学深过冷方法;;乳化法的基本思想是在惰性环境（惰性基础或惰性悬浮溶液）中，随着液体分散程度的提高，有效形核衬底逐渐被孤立于少数液滴中，大部分液滴保持分离并且不包含异质核心，这部分液滴将会表现出深过冷行为，其原理见下图。;乳化法（emulsification）;两相区法： 1950，wang和smith 将合金熔体过热，然后冷却至固液两相区，使液相在先析出相的包裹下结晶而获得深过冷。 Al-10wt%Sn，过冷度99k 微重力法： 利用太空中微重力场和高真空条件，使液态金属自由悬浮于空中实现无坩埚凝固，从而获得深过冷。 ;电磁悬浮熔炼法： 通过选择合适的线圈形状及输出频率，使试样在电磁力作用下处于悬浮装态，再通入He、Ar、H2等保护气氛，通过感应加热熔化，控制凝固从而实现深过冷。;落管法： 通过电磁悬浮熔炼、电子束或其他方法熔化金属，随后金属熔体在真空或通入保护性气体的管中自由下落冷却凝固。自由下落过程中，金属或合金液避免与器壁相接触，同时又具有微重力凝固的特征，因而可以获得深过冷。; 循环过热法： 在非晶态坩埚或形核触发作用较小的坩埚中对纯金属或合金进行“加热熔化----过热保护----冷却凝固”循环处理，金属中的异质形核核心通过熔化、分解和蒸发等途径消失或钝化从而失去衬底作用获得熔体的深过冷。 熔融玻璃净化法： 在熔融玻璃的包覆下进行熔炼，液态金属中的夹杂物在被玻璃熔体物理吸附的同时，还可以与玻璃中的某些组元相互作用形成低熔点化合物进入溶剂中，达到消除异质核心的目的。;.;热力学深过冷快速凝固;金属或合金熔体热力学深过冷净化处理效果的衡量标准：?Tmax 有效性 快速性 持久性 稳定性;热力学深过冷熔体的凝固特征;;液态金属结构的主要理论;随机密堆模型理论无规密堆硬球模型（RCP）：Bernal钢球密堆实验（close packing）;有效结构理论（significant structure theory） 美国 Eyring E.教授 在点阵中引入缺陷 液体的结构相当于固体中产生了相当于原子大小的空位 高能原子推开近邻原子留下空位 空位不断流动，造成液态金属的长程无序 高能原子填入/留出空位，类似气体原子 类气体，类固体---液气两相连续平衡; 液体的缺陷模型与几乎与每一种固体金属的晶体缺陷相对应，诸如点阵空位、位错和晶界等模型。 微晶模型： 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成，在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间以界面相连接。;实际液态金属的微观特点;深过冷条件下均质形核的热力学;自发形核;2、临界形核功与临界晶核半径;表面自由能; 临界形核功相当于表面能的1/3，这意味着固、液之间自由能差只能供给形成临界晶核所需表面能的2/3，其余1/3的能量靠能量起伏来补足。;;深过冷条件下均质形核的热力学;熔体的再辉与超冷状态;;;TL平衡条件下的液相线温度TN形核温度TR再辉温度;枝晶生长速率计算;伪再辉：枝晶熔断吸热造成的冷却曲线拐点;超冷状态;深过冷熔体凝固组织晶粒细化的机制;空化说压力波均质形核说;再结晶说;枝晶熔断说（主流）;;枝晶熔断说（主流）;;;过冷熔体中的液相分解现象;1、定义：过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程。;;G”＞0 凹曲线 G”＜0 凸曲线;5、调幅分解与形核长大型脱溶的区别;;;二、调幅分解的热力学;;;;;;三、调幅分解的动力学方程;方程的解：;;偏聚原子团间距小，梯度能太大，分解不能发生;组织：1、经调幅分解出的两相总是保持共格关系 两相晶体结构相同，只是成分不同，故分解时产生的