35结晶理论的某些实际应用.docVIP

3.5 结晶理论的某些实际应用 一 细化金属铸件晶粒的一些方法 细化晶粒不仅能提高材料的强度和硬度，还能提高材料的塑性和韧性。工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。 控制铸件的晶粒大小，是提高铸件质量的一项重要措施。细化铸件晶粒的基本途径是形成足够多的晶核，使它们在尚未显著长大时便相互接触，完成结晶过程。这就要求结晶时有大的形核率以保证单位时间、单位体积液体中形成更多的晶核。要求结晶时有小的长大线速度以保证有更长的形核时间。 1 提高过冷度 金属结晶时的形核率N、长大线速度G与过冷度的关系如图1所示。过冷度增加，形核率N与长大线速度G均增加，但形核率增加速度高于长大线速度增加的速度，因此，增加过冷度可以使铸件的晶粒细化。 图1 形核率、长大线速度与过冷度的关系 在工业上增加过冷度是通过提高冷却速度来实现的。采用导热性好的金属模代替砂模；在模外加强制冷却；在砂模里加冷铁以及采用低温慢速浇铸等都是有效的方法。对于厚重的铸件，很难获得大的冷速，这种方法的应用受到铸件尺寸的限制。 2 变质处理 外来杂质能增加金属的形核率并阻碍晶核的生长。如果在浇注前向液态金属中加入某些难熔的团体颗粒，会显著地增加晶核数量，使晶粒细化。这种方法称为变质处理，加入的难熔杂质叫变质剂。变质处理是目前工业生产中广泛应用的方法。如往铝和铝合金中加入锆和钛；往钢液中加入钛、锆、钒；往铸铁铁水中加入Si—Ca合金都能达到细化晶粒的目的。往铝硅合金中加入钠盐虽不起形核作用却可以阻止硅的长大，使合金细化。 3 振动、搅拌 在浇注和结晶过程中实施搅拌和振动，也可以达到细化晶粒的目的。搅拌和振动能向液体中输入额外能量以提供形核功，促进晶核形成；另外，还可使结晶的枝晶碎化，增加晶核数量。 搅拌和振动的方法有机械、电磁、超声波法等。 二 定向凝固技术 定向凝固技术是通过单向散热，使凝固从铸件一端开始，沿陡峭的温度梯度方向逐步发生，获取方向性的柱状晶或层片状共晶的一种凝固技术。定向凝固方法有下降功率法和快速逐步凝固法。 图2 定向凝固示意图（a）下降功率法（b）快速逐步凝固法 下降功率法(见图2(a))是将金属液体注入带水冷底板的铸模中，然后，切断下部感应圈的电流，再进行上部感应圈的功率调节，使铸模内获得陡峭的温度梯度，在这种冷却条件下得到垂直于水冷底板的柱状晶。 快速逐步凝固法(图2(b))是将金属液浇入带水冷底板的铸型后，保持数分钟以达到热稳定，在这段时间内沿铸型轴上形成一定的温度梯度，当水激冷铜板一端开始凝固后，将铸型从炉内以一定速度牵出，使底端形核的晶体生长成垂直于水冷底板方向的柱状晶。 柱状晶致密并具有各向异性。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，显著地提高了叶片的使用寿命。又如磁性铁合金沿[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，可制成优良的磁性材料。 三 单晶体的制备 单晶体就是由一个晶粒组成的晶体。单晶硅、锗是制造大规模集成电路的基本材料。近百种氧化物单晶体如TeO2，TiO2，LiTiO3，LiTaO3，PbGeO3，KNbO3等可用于制造磁记录、磁贮存原件、光记忆、光隔离、光变调等光学和光电元件和制造红外检测、红外传感器。目前，单晶材料已成为计算机技术、激光技术及光通讯技术、红外遥感技术等高技术领域不可缺少的材料。制取单晶体的基本原理就是保证液体结晶时只形成一个晶核，再由这个晶核长成一整块单晶体。下面介绍单晶体制备的两种方法。 1 垂直提拉法 如图3(a)所示，先用高频或电阻加热方法熔化坩埚中的材料，使液体保持稍高于熔点的温度，然后将夹有一个籽晶的杆下移，使籽晶与液面接触。缓慢降低炉内温度，将籽晶杆一边旋转一边提拉，使籽晶作为唯一的晶核在液相中结晶，最后成为一块单晶体。 图3 单晶制备原理图（a）垂直提拉法（b）尖端形核法 2 尖端形核法 如图3(b)所示，将材料装入一个带尖头的容器中熔化，然后将容器从炉中缓慢拉出，尖头首先移出炉外缓冷，在尖头部产生一个晶核，容器向炉外移动时便由这个晶核长成一个单晶体。 四 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、雾化技术和表面快热技术。 模冷技术是将熔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(图4)，熔体拖拉法(5)。 图4 平面流铸造法示意图1 石英