第6章-材料的凝固和气相沉积.pptVIP

* 临界晶核表面积*单位面积表面能 临界形核功=表面能的1/3 * 形状因子Ssita, * 相当于铸造时液态金属源源不断的注入，这样液体越靠近固相温度越低，固相相对来说散热快，液相不能散热 * 铸造时倒入一部分液体后就不倒了。这样离界面越远，温度越容易散发。 * 前面讲了形成三种不同晶粒形状和大小的组织，那么我们先来讲下晶粒对性能的影响以及改善措施，以便为我们在实际中应用凝固技术做指导 * 3、中心等轴晶区： 原理： ① 随着柱状晶的生长，固体层不断加厚，模壁垂直的散热速度减慢，柱状晶的生长速度也相应减慢同时，由于溶质的重新分布，液固界面前沿的液体中产生成分过冷，并随着柱状晶的生长而增大。 ② 当成分过冷增大到一定程度时，在柱状液固界面前沿的液体中形成许多新的晶核，并沿各方向长大，这样阻碍了柱状晶的生长并形成粗大的等轴晶区。 性能：无方向性，但组织疏松。 应用：一般铸件。 第6节 用凝固法材料的制备技术 1、对金属性能的影响 在一般情况下，晶粒愈细小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。 晶粒大小对纯铁的机械性能的影响 晶粒直径 （mm） 强度σb （MPa） 伸长率δ （%） 9.7 165 28.6 7.0 180 30.6 2.5 210 39.5 2、晶粒大小的控制 1）决定晶粒度的因素 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核的数目。 长大速度（G）：晶核在单位时间内生长的长度。 N/G↑ → 晶粒愈细小 2）控制晶粒度的方法 （1）增加过冷度 冷却速度↑→ΔT↑→ N/G↑ → 晶粒愈细小。 降低铸造温度； 用金属型铸造代替砂型。 气轮机转子的宏观组织(纵截面) 细晶的熔模铸件(上) 普通铸件(下) 冷却速度对金属晶粒度的影响 冷速大 冷速小 当冷却速度 102~4℃/s → 微晶合金、纳晶合金。 微晶合金的特点： ① 具有高强度、高硬度、良好的韧性； ② 较高的耐磨性、耐蚀性及抗氧化、抗辐射性、稳定性好等优良性能。 ③ 还具有良好的物理性能：高电阻率，较高的超导，高的矫顽力。 当冷却速度 106~8℃/s → 非晶态材料。 非晶态合金的特点： ① 很高的强度、硬度、刚度； ② 具有良好的韧性和塑性； ③ 无晶体缺陷，因此具有很高的耐蚀性，及高电阻率，高导磁率，低磁损和低声波衰率。 （2）变质处理 是指在液态金属结晶前，加入一些细小高溶点的物质，促使非自发形核的方法。 易实现、效果明显、最常用。 孕育处理 加入人工晶核 晶粒细化 钢中加入Ti、V、Al； 铸铁中加入Si、Ca； 铝中加入Ti、锆。 （3）振动，搅拌方法： 破碎作用 → 提高形核率。 电磁搅拌细化晶粒示意图 超声振动细化晶粒示意图 3、凝固新技术 1）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。 垂直提拉法和尖端形核法 2）急冷凝固技术 （1）非晶金属与合金 （2）微晶合金。 （3）准晶合金。 平面流铸造法 1 - 扁平导流嘴 2 - 轧辊 3 – 铸造金属 熔体拖拉法 快速凝固雾化法 双辊雾化法 3、定向凝固 （1）原理：单一方向散热获得柱状晶。 （2）制备方法： 下降功率法 快速逐步凝固法? 第7节 材料非晶态第8节 材料的气-固转变第9节 气相沉积法的材料制备技术 结 束 工程金属材料生产制备中的一个最重要、最基本的重要途径是熔炼和凝固，几乎所有的金属制品都需要经过这两个过程。第一步通过熔化获得液态金属，然后通过凝固获得铸件，再进行冷热变形加工，制成各种板材、型材、棒材等。 * 无论是铸件还是加工成型的成型件，其性能都很大程度上依赖于铸造水平，因此，我们研究材料凝固十分有意义。 * 液态金属在微小区域内有序规则排列，它是由不稳定的近程有序排列的原子集团组成。 * 这些是微观过程 * （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。 四、非均匀形核的分析 依附于液相中某种固体表面（外来杂质表面或容器壁）上形成的过程。 （3）临界形核功 利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系，计算能量变化和临界形核功： σlw=σsw+σslcosθ △Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4 非均匀形核功与均匀形核功对比的示意图 △Gk非△Gk △Tk非△Tk a θ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核； b 1800θ0时，△Gk非△Gk,杂质促进形核 C θ=1800时，△Gk非＝△Gk，杂质不起作用。 △Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4 ?（4）影响非均匀形核的因素 ①过冷度：△T↑→rk↓△Gk↓,有利形