金属凝固组织的细化方法和机理-脉冲电场
金属凝固理论原理及应用
金属凝固理论原理及应用金属凝固理论是指研究金属在固态凝固过程中的组织形态和相变行为的科学原理。
金属凝固理论的研究可以帮助我们了解金属的凝固机理以及改变金属的性质和应用。
以下将从原理和应用两个方面进行详细阐述。
一、金属凝固理论的原理：1. 凝固过程中的相变行为：在金属凝固过程中，会发生相变行为，从液相变为固相。
主要包括凝固核形成、晶体长大及晶粒形核和生长等过程。
凝固核形成是指凝固过程中由于界面能降低而导致固相形成的过程。
晶体长大是指固相晶体的体积逐渐增大。
晶粒形核和生长是指液相金属晶粒在凝固过程中通过固相组织的转变形成新的晶粒。
2. 凝固速率的影响因素：凝固速率是凝固过程中晶体生长速度的量度。
影响凝固速率的因素包括金属的熔点、凝固液体的过冷度、核活化能、晶体生长速度以及固相晶粒形核密度等。
通过调节这些因素，可以改变金属凝固的速率和组织形态，从而影响金属的性质和应用。
3. 相图和凝固曲线的研究：金属凝固过程中，可以通过相图和凝固曲线来了解金属凝固过程中的相变行为和组织形态演化。
相图可以显示凝固温度、成分和组织形态之间的关系，而凝固曲线可以用来研究凝固速率和金属的晶体生长速度。
二、金属凝固理论的应用：1. 金属材料制备：金属凝固理论可以帮助我们了解金属材料制备过程中的相变行为和组织演化规律。
在铸造和凝固过程中，通过调节凝固速率和组织形态，可以获得不同性能和应用要求的金属材料。
例如，通过改变凝固速率可以获得细晶粒或均匀晶粒分布的材料，从而提高材料的强度和韧性。
2. 改善金属材料性能：金属凝固理论的研究可以帮助我们改善金属材料的性能。
例如，通过合适的添加剂和凝固工艺，可以改善金属材料的耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定性等性能。
同时，金属凝固理论也可以指导材料加工过程中的热处理和冷处理，从而进一步提高金属材料的性能。
3. 金属合金设计：金属凝固理论是金属合金设计的重要基础。
通过研究金属合金的凝固机制和相图，可以合理地选择合金元素和调整合金成分，以达到特定的性能和应用要求。
脉冲电场及电极施加方式对铝合金凝固组织的影响研究
关键词 ： 脉冲 电场 ；ｌ ｉ Ａ— 合金 ； ｓ 凝固 ；ｉ Ｓ 相间距 ； 电极方 式
中图 分 类 号 ：Ｇ１６２ Ｔ ４ ． １ 文献标识码 ： Ａ
摘 要 ： 脉冲电场 以及改变脉冲电场的施加方式对 Ａ一 合金凝 固组织 的影响进 行讨论 ， 对其相应 的作 用机 针对 １ｉ Ｓ 并
影响．
高， 随之展 开外 加措 施优 化铝 合金性 能 的研究 ． 金 在
属凝 固过 程 中施 加脉 冲电场则 是最 近几 年发 展起 来 的又 一 电磁 细 化新技 术 ， 技术 具 有无 污染 、 该 操作 方 便 、 果显 著等 优 点． 然前 人 对 低 熔 点 合 金 、 分 效 虽 部
ｐｕ ｓ ｄ ｅｅ ｔｉ ｅ ｄ ｗａｓａｓ ｔ ｄ ｅ ． ｌｅ ｌ ｃｒｃ ｆ ｌ ｌｏ ｓｕ ｉ ｄ ｉ
铝 合金 作 为工业 中应 用最 广泛 的一 类有 色金 属
结构 材料 ， 在航 天 、 汽车 、 机械 制造 、 船舶 及化 学工 业 中已经被 大量应 用 ． 随着 近 年 来科 学技 术 以及 工 业 经 济 的飞速 发展 ， 铝 合 金 材料 性 能 的要 求 越 来 越 对
２１ ０ ２年 ９月 第３ １卷 ３ 期
内 蒙 古 科 技 大 学 学 报
Ｊ ｕ １ ｆＩ ｎ ｒ Ｍｏ ｇ ｌ ｉ ｅ ｓ ｙ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｏｉ Ｕｎ ｖ ｒｉ ｆ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ０ ａ ｔ Ｓ
有 色金属及 钢铁 材料 在凝 固过 程 中施加 高压 脉 冲 电
场进 行 了初 步 的研究 ， 并取 得 了 良好 的结 果 ¨ ， 但
脉冲电流综述---PPT
6
2 脉冲电流凝固技术；
电流对液态金属主要有以下作用：电传输效应、Jouler 效应、Peltier 效应、起伏效应、趋肤 效应、电磁力效应、磁致收缩效应等。这些效应可以改变液体金属凝固时的传热、传质和动 量传输过程，进而影响金属的凝固组织及其形态和成分分布等。采用脉冲电流处理液态金属， 一方面可以减小电流细晶技术应用中电路负荷过大的问题，另一方面可减小电流在液态金属 中产生的焦耳热，并有效地利用脉冲电流对金属液的扰动作用。
5
20 世纪 80 年代，A．K．Mism 在 Pb—Sb—Sn 三元合金的凝固过程中使用了电流技术，通 过施加电流密度 30~40mA／cm2、电压约 30V 的直流电流，得到了均匀细小的凝固组织。 共晶片间距减小到原来的 1／4，共晶团数量增加，这说明电流对形核和生长两个阶段都有 作用。同样，把直流电流换成交流电流也可得到相同的结果(如图 2)。
图 5 为翟启杰等研究结果，表明超声波可细化 T10 钢凝固组织。在金属凝固过程中引入超 声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细等轴晶，金属的宏观及微观偏析均得到改善。
3 磁场在材料加工 磁场，与其它外场比较，有一个最大特点，即其非接触性，由于各相磁化率及介电常数不同， 相变中施加磁场，会影响各相稳定性，从而改变不同相的形貌，材料在磁场中的引入，最先 从普通磁场开始，并已进行了广泛的研究，目前，侧重于都材料在强磁场作用下的研究， 外加磁场包括稳恒、交变和脉冲磁场。用于细化金属凝固组织的方法主要包括外加交变磁场 和脉冲磁场。外加交变磁场即电磁搅拌，大量实践证明，电磁搅拌能细化金属凝固组织闭，
7
------试验研究中，研究者选择有代表性的试验金属，以求对其他金属有参考意义，从低熔点 到高熔点及单元单相到多元多相的原则，考虑工程实用性，对纯金属、二元合金和多元合金 都进行了探索性研究。 对纯金属，主要选择纯铝开展研究 对二元合金，主要选择低熔点、便于开展试验研究的 Pb—sn 合金和较高熔点、工业上广泛 应用的 A1-Si、A1-Cu 合金等结构材料开展研究 高熔点的高锰钢、碳钢、轴承钢、螺纹钢、电工钢、不锈钢和铸铁来开展研究
脉冲激光的焊接熔池形成与凝固行为研究
脉冲激光的焊接熔池形成与凝固行为研究脉冲激光焊接是一种高能量密度的热源焊接技术，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
在脉冲激光焊接过程中，焊接熔池的形成和凝固行为对焊接质量起着至关重要的作用。
本文将探讨脉冲激光焊接中焊接熔池的形成机理和凝固行为。
脉冲激光焊接过程中，高能量密度的激光束瞬间照射在焊接材料上，使其迅速升温并熔化。
在瞬间高温作用下，焊接材料表面形成一个液态熔池。
熔池的形成过程可以分为三个阶段：吸收阶段、传导阶段和受限阶段。
在吸收阶段，激光束首先被焊接材料吸收，激光能量转化为热能。
吸收能量的多少取决于激光的功率密度和材料的吸收率。
当激光束照射到焊接材料表面时，其能量会迅速传递给材料，使其温度迅速升高。
在传导阶段，热能开始通过热传导向材料内部扩散。
传导过程中，热能的传递速度取决于材料的热导率和热扩散系数。
热传导的速度较慢，因此在传导阶段，焊接熔池的形成仍然是一个局部现象。
在受限阶段，当传导的热能达到一定程度时，焊接材料表面的温度已经足够高，使其开始熔化形成液态熔池。
熔池的形成与材料的熔点和热传导速度有关。
当熔池形成后，激光束的照射会维持熔池的温度，使其保持在液态状态。
焊接熔池的凝固行为也是焊接过程中需要关注的重要问题。
在焊接过程中，熔池的凝固速度决定了焊缝的组织和性能。
凝固速度的快慢取决于熔池的冷却速度和材料的凝固温度范围。
当焊接熔池开始凝固时，熔池中的热能会通过热传导向周围环境散失。
如果冷却速度较快，熔池中的金属离子会迅速凝固形成晶体结构。
晶体结构的形成过程中，金属离子会有序排列，形成具有一定晶格结构的晶体。
然而，如果冷却速度较慢，熔池中的金属离子会有更多的时间进行扩散和重排，形成较大的晶体。
这种情况下，焊接熔池中的晶体结构可能会出现缺陷，如晶界偏析、晶界背离等，从而影响焊缝的力学性能。
因此，在脉冲激光焊接过程中，控制焊接熔池的形成和凝固行为对焊接质量至关重要。
通过调整激光的功率密度、照射时间和焊接材料的物理性质，可以实现对焊接熔池形成和凝固行为的控制。
金属凝固原理习题与答案
金属凝固原理习题与答案金属凝固原理习题与答案金属凝固是材料科学中的重要研究领域，也是金属加工和制备过程中不可或缺的一环。
在金属凝固过程中，涉及到许多基本原理和概念。
本文将通过一些习题来探讨金属凝固的原理，并给出相应的答案。
习题一：什么是金属凝固？答案：金属凝固是指金属在高温下由液态转变为固态的过程。
当金属被加热到其熔点以上时，金属原子开始逐渐失去自由度，形成有序的晶体结构，从而形成固态金属。
习题二：金属凝固的主要原理是什么？答案：金属凝固的主要原理是原子的有序排列。
在液态金属中，原子无序排列，而在固态金属中，原子有序排列成晶体结构。
这是因为在液态金属中，原子具有较高的热运动能量，可以自由移动，而在固态金属中，原子受到周围原子的束缚，只能在晶格中振动。
习题三：金属凝固的过程中有哪些因素会影响晶体的形成？答案：金属凝固的过程中，晶体的形成受到许多因素的影响，包括温度、凝固速率、合金成分等。
温度对晶体的形成有重要影响，较高的温度会使晶体生长得更快，而较低的温度会使晶体生长得更慢。
凝固速率也是影响晶体形成的重要因素，快速凝固会导致细小的晶体形成，而慢速凝固则有利于大晶体的生长。
合金成分对晶体形成也有重要影响，不同的合金成分会导致不同的晶体结构和形态。
习题四：金属凝固过程中，晶体的生长方式有哪些？答案：金属凝固过程中，晶体的生长方式主要有三种：平面生长、柱状生长和体内生长。
平面生长是指晶体在平面上逐渐生长，形成平坦的晶界；柱状生长是指晶体在某个方向上生长，形成柱状晶界；体内生长是指晶体在整个体积内均匀生长，没有明显的晶界。
不同的金属和凝固条件下，晶体的生长方式可能不同。
习题五：金属凝固过程中，晶体的缺陷有哪些？答案：金属凝固过程中，晶体的缺陷主要有晶格缺陷和晶界缺陷。
晶格缺陷是指晶体内部原子的位置偏离理想位置，包括点缺陷（如空位、间隙原子等）和线缺陷（如位错等）。
晶界缺陷是指晶体之间的界面上存在的缺陷，包括晶界错配、晶界位错等。
金属凝固原理范文
金属凝固原理范文金属凝固原理是指金属在从液态到固态转化的过程中所涉及的物理和化学现象。
金属凝固是一个复杂的过程，涉及到热力学、动力学和结构变化等方面的原理。
本文将分析金属凝固原理的基础知识，包括热力学、结构和晶体生长等方面的内容。
在金属凝固的过程中，热力学是至关重要的因素之一、根据热力学原理，金属凝固时会释放出热量，这是因为金属离子在凝固的同时释放出能量。
这种能量释放可以通过热力学公式来计算，其中包括凝固焓和凝固熵等参数。
液态金属在凝固过程中会出现结构变化，最常见的是由无序结构转变为有序的晶体结构。
晶体结构特征是金属凝固过程中的一个重要因素。
晶体结构的类型取决于金属原子的尺寸、电子构型和化学键的性质等因素。
例如，铜的晶体结构是面心立方结构，而铁的晶体结构是体心立方结构。
晶体生长是金属凝固过程中的另一个重要因素。
晶体生长是指在凝固过程中液态金属原子逐渐形成有序的晶体结构。
晶体生长可以分为两个阶段：核形成和晶格生长。
在核形成阶段，金属原子将逐渐聚集在一起，形成原子团簇。
当这些团簇达到一定大小时，它们就可以进一步生长，形成完整的晶体结构。
晶体生长的速度取决于多种因素，包括温度、压力和金属的化学成分等。
一般来说，晶体生长速度随着温度的升高而增加，因为高温有助于原子的扩散和聚集。
此外，压力对晶体生长速度也有影响，高压环境可以抑制晶体生长，而低压环境则有助于晶体生长。
除了热力学、晶体结构和晶体生长等方面的因素外，金属凝固还涉及到动力学过程。
动力学是指凝固过程中有关反应速率和能量转移的研究。
在金属凝固中，动力学过程包括原子之间的碰撞、扩散和团簇的生长等。
总之，金属凝固原理涉及到多个方面的知识，包括热力学、结构和晶体生长等。
了解这些原理可以帮助我们更好地理解金属凝固的过程，并为相关工业和科学研究提供指导。
金属凝固原理
晶体中每个原子的振动能量不是均 等的，振动方向杂乱无章。每个原 子在三维方向都有相邻的原子，经 常相互碰撞，交换能量。在碰撞时， 有的原子将一部分能量传给别的原 子，而本身的能量降低了。结果是 每时每刻都有一些原子的能量超过 原子的平均能量，有些原子的能量 则远小于平均能量。这种能量的不 均匀性称为“能量起伏”。由于能 量起伏，一些原子则可能越过势垒 跑到原子之间的间隙中或金属表面， 而失去大量能量，在新的位置上作 微小振动（图 1-3 ）。一旦有机会 获得能量，又可以跑到新的位置上。 原子离开点阵后，留下了自由点 阵——空穴。
三、金属的熔化
实验证明，金属的熔化是从晶界开始的。由于晶界上 原子排列的相对不规则性，许多原子偏离平衡位置， 具有较高的势能。 把金属加热到熔点附近时，离位原子数大为增加。在 外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒间的 相对流动，称为晶界粘滞流动。晶粒内部，也有相当 数量的原子频频跳跃、离位，空穴数大为增加。 接近熔点时，晶界上的原子则可能脱离原晶粒表面， 向邻近晶粒跳跃，晶粒逐渐失去固定形状。
从图1-1可以看出，假设在熔点附近原子间距达到 了 R1 ，原子具有很高的能量，很容易超过势垒而 离位。但是在相邻原子最大引力作用下，仍然要 向平衡位置运动。虽然此时离位原子和空穴大为 增加，金属仍表现为固体性质。
若此时从外界供给足够的能量 —— 熔化潜热，使 原子间距离超过 R1 ，原子间的引力急剧减小，从 而造成原子结合键突然破坏，金属则从固态进入 熔化状态。熔化潜热使晶粒瓦解，液体原子具有 更高的能量，而金属的温度并不升高。
宏观上，物质从液态转变为固态。微观上，激烈运动的液 态原子恢复到规则排列的过程称为凝固。
2 研究对象：
研究液态金属或合金转变为固态金属或合金这一凝固过程 的理论和技术，定性地特别是定量地揭示其内在联系和规 律，发现新现象，探求未知参数，开拓新的凝固技术和工 艺。 凝固学是材料成形技术的基础，也是近代新型材料开拓和 制备的基础。
脉冲电流在金属凝固过程中的作用及研究进展
中 图分 类 号
Ｔ １４ Ｇ １
文 献标 识 码 Ａ
文章编号
０ ５ － ９ （ ０ ０ ０ －５ ８０ ２ ４６ ４ ２ １ ） ４０ ２ —５ ０
随着 环境科 学 的发 展 ， 现代 材料 要求经 济性 、
功能性 和环 境协 调 性 相 统一 。 围绕 这一 主题 ， 世 ｒ ａ
又具 有很 大 发 展 潜 力 的技 术 备 受 人 们 的广 泛 关 注 。至今 ， 界 各 国 科 研 人 员 分 别 用 超 声 波 、 世 电
元 合金 的凝 固过 程 中通 以 电流 密 度 为 ３ ０—４ ０ ０ ０
Ａ ｍ ， 压 约 为 ３ 的直 流 电 流 ， 现 凝 固组 织 ／ 电 ０Ｖ 发
流 密 度 增 加 ， Ｔ增 加 曲 线 越 来 越 平 缓 。 Ａ
凝 固组 织 细化 效 果 与 脉 冲放 电开 始 时 间 有关 ， 凝 固过程 中放 电开 始 时 间越 早 ， 固组 织 细 化 效 果 凝 越 明显 ； 冲 电压 越 高 ， 固组 织 细 化程 度 越 大 ， 脉 凝 并 且还 发 现经 脉 冲 电 流处 理 后 ， 随熔 体 的保 温 时 间延 长 ， 固组 织逐 渐粗 化 。何 树先 等 人 还 用 高 凝 密度 脉冲 电流 处 理 Ａ －ｉ 金 组 织 时 发 现 ， 密 ｌ 合 Ｓ 高
度 脉 冲 电 流 处 理 时 凝 固 组 织 中 初 生 Ｓ 转 变 为 块 ｉ
状 ， 宽 比 显 著 减 小 ， 晶 ｓ 呈 短 杆 状 ， 寸 较 长 共 ｉ 尺 小 ， 且试 样局 部存 在 初生 ｓ 晶粒 破 坏 现 象 。范 并 ｉ 金 辉 等人 ¨ 在 对 奥 氏 体 不锈 钢 １ ｒ８ ｉＴ 凝 固 Ｃ ｌ Ｎ９ ｉ
脉冲磁场对金属凝固组织和力学性能地影响
Ｊ二海大学倾：Ｌ学位论史王晓东，李廷举…ｌ等人研究了不锈钢金属熔体在旋转电磁场作用下的凝固过程，认为电磁搅拌力引起的动量对流对补缩的促进作用并不大。
旋转电磁场阻碍中心疏松、缩孔形成的机制为：电磁力引起的动量对流增强了熔体的热、质传输过程，使熔体温度分布更趋均匀，温度梯度减小，使心部熔体的固相率更趋一致且在短时内增至特征固相分数，且凝固末期熔体的凝固速率增大，使心部熔体在短时内凝固，避免了中心疏松、缩孔的形成（如图１—４所示）。
图１～４金属铸坯的凝固‘”１（ａ）未处理（ｂ）施加磁场孙伟成ｉｌ２】等人则研究了直流磁场、旋转磁场，直流电流作用下Ａ１一ｃｕ和Ａ卜ｓｉ合金的凝固组织，发现直流磁场可促进穿晶柱状晶的形成，对晶粒起粗化作用，旋转磁场可形成电磁搅拌，细化凝固组织；无论哪种磁场再通直流电流，则绌化效果更明显，只是通过的直流电流强度有一饱和值，超过此饱和值，则晶粒反而会发生粗化。
徐林等人通过研究发现，旋转磁场不仅对ｓｎ—Ｐｂ合金起到改善和防止偏析的产生、细化晶粒、提高机械（力学）性能的作用，而且还对合金的冷却曲线产生较大的影响。
于平、李子全【Ｊ３Ｊ等人研究了旋转磁场作用下，ｚＡ一２７合金初生相形貌演变过程及机理（图卜５），指出在低于液相线温度搅拌时，枝晶会发生弯曲变形、断裂、球形化和颗粒聚集的现象：在高于液相线温度电磁搅拌时，初生相会发生形核、球形生长和偏聚。
在旋转磁场作用下，能使ＺＡ－２７合金树枝晶转变为非树枝晶流变组织，且该组织的形成机理倾向于枝晶折断和枝晶弯曲合并两种理论。
交替改上海人学碰卜卜学位论文变磁场旋转方向有利于ＺＡ２７合金初生相的细化和均匀分布，并提高其圆整度加入微量合金元素对初生相有明显细化效果。
图１－－５ＺＡ－－２７合金铸锭组织Ｘ１００１１３１（ａ）砂型铸造（ｂ）在磁场中凝吲（ｃ）经旋转磁场电磁搅拌但来加旋转磁场张奎【１４】等人则研究了交流旋转磁场对Ａ卜Ｓｉ合金凝固组织的影响，结果发现其凝固组织的形貌为圆形轮廓的初生相晶粒浸润在细小的共晶体中，这与传统的凝固态枝晶组织有着显著差异。
金属凝固原理
金属凝固原理
金属凝固原理是物理学中最重要的概念之一，它是指当温度降低到一定程度时，金属内部从液态直接过渡到固态的过程。
这种过程叫做凝固或结晶。
在该过程中，金属内部具有一种特殊的结构，即“金属晶格”。
金属晶格是一种稳定的结构，由许多小空间和原子构成，并且可以承受很大的力。
金属凝固原理是一个相对复杂的概念，涉及到物理学、化学、材料学等多个领域。
它的基本原理是，温度降低时，金属内部产生秩序，原子开始排列形成一种晶格结构，从而使金属变成固态。
金属凝固原理是金属加工工艺中最重要的一环，同时也是材料性能分析的基础。
因此，金属凝固原理的研究和应用对于金属加工工艺的改进和优化具有重要意义。
首先，金属凝固原理的研究依赖于量子力学理论，也就是研究金属晶格中原子的行为。
在量子力学理论的基础上，工程师可以利用计算机模拟金属的凝固过程，进一步探究金属凝固原理。
其次，金属凝固原理的研究也受益于材料科学技术的发展。
如X射线衍射仪（XRD）可以检测金属内部晶格结构的信息，从而更好地理解金属凝固原理。
此外，金属凝固原理的研究也受益于材料工程学的发展。
例如，在实验室中，可以通过不同的温度调节和材料组成，模拟金属凝固过程，以更深入地理解金属凝固原理。
金属凝固原理是物理学、化学、材料学等多个领域的重要内容，其研究对金属加工工艺的改进和优化具有重要意义。
因此，金属凝固原理的研究将会在未来发挥重要作用。
研究合金定向凝固组织的脉冲磁场设备的研制
ｓｒ ｅ ｏ ｏ ｉｅｗｔ ｅｄｒｃｉ ａ ｓｌ ｉ ｑ ｉｍ ｎ ｆｈ ｌ ｙ Ｏｔａ ｐｏ ｌ ｏ ｌ ｔｄ ｅｄｒｃｉｎ ｏｉｉ ｔ ｃｕｅ ｃｉ ｄｈ ｗ ｔ ｃｍｂｎ ｉ ｔ ｉ ｔ ｎ ｏｉ ｆ ｅ ｕｐ ｅ ｔ ｅａｌ ，Ｓ ｔ ｅ ｐｅｃｕｄ ｓ ｙｔ ｉ ｔ ａ ｓｌ ｆ ｓｒ ｔｒ ｂ ｏ ｈｈ ｅ ｏｌ ｄｙ ｏｔ ｏ ｈ ｕ ｈ ｅ ｏｌ ｄｙ ｕ
脉 冲 电 磁 场 的 条 件 。 过 去 设 计 的 脉 冲 电 磁 场 设
电 ， 脉 冲电流就在 螺线 管工 作线 圈 内部 及其 周 围 该
产 生 脉 冲 磁 场 。 因 此 可 通 过 调 节 通 过 线 圈 的 电 流 来 达 到 调 节 其 中 的 脉 冲磁 场 强 度 的 目的 。本 设 备
泛地 应 用 于 电 磁 悬 浮 熔 铸 、 造 、 形 ， 接 等 。 而 铸 成 焊
对 金 属 、 金 的 凝 固 过 程 施 加 电 磁 场 处 理 以 控 制 凝 合 固 组织 、 化 晶 粒 ， 细 已形 成 新 的 研 究 方 向 ， 引 起 各 已
成 后 ， 由控 制 部 分 控 制 触 发 回 路 接 通 高 压 放 电 ： 再 阡 关 ， 储 存 在 脉 冲 电 容 器 组 内 的 充 电 电 荷 通 过 放 电 使 回路 以 脉 冲 电流 的形 式 快 速地 向 螺 线 管 工 作 线 圈 放
ｏ ｈ ｌ ｎ ｅ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ｅ ｐ ｓ ｌ ｔｏ ｇ ｅ ｉ ｅ ｄ ｆｔ ｅ ａｌ ｕ ｄ ｒｔ ｒ ｉ ｇ ｏ ｔ ｕ ｅ ｅ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｔ ｆ ｌ ． ｙ ｏ ｈ ｆ ｈ ｌ ｃ ｃｉ
Ｋｅ ｏ ｄ ： ｅｐ ｓ ｌ ｔ ｍ ｇ ｅｉ ｆ ｌ ｔｅｄｒｃｉｎｌ ｏｉｉ ；ｅ ｕｐ ｅ ｔ ｙＷ ｒ ｓ ｔ ｕｅ ｅ ｒ ａｎ ｔ ｅ ｈ ｌ ｃ ｅ ｏ ｃｉ ｄ； ｈ ｉ ｔ ａ ｌ ｆ ｑ ｉｍ ｎ ｅ ｏ ｓ ｄｙ
脉冲电流细化金属凝固组织研究综述
ｌ８ ９ ４年 ， 印度 学 者 Ａ Ｋ Ｍｉ ａ～ 三 元合 金 ｓ ［在 ｒ
Ｐ 一 ５ ｂ ７ ｎ凝 固过程 中施加 直流 电 ，电流 ｂ １ ％ｓ 一 ％Ｓ
密度 为 ３ ～ ０ｍＡ ｃ ， ０ ４ ／ｍ２电压 约为 ３ 结 果发 现 ０Ｖ， 凝 固后 的组 织得 到 了细化 ，并且 第 二 相分 布 均
轴 晶区扩大 ， 晶粒 细化 。电脉 冲孕育处 理 的熔 体
２ 现代铸铁 ２０ ６ ８ ０ ８／
ｊ
结构 还具有 遗传性 ， 锦刚等［得 出遗传 规律 ： 齐 ２ 。 １
良好 的抗孕 育 衰退能 力 。之后 ， 王建 中等 展开 了
一
系列 脉 冲 电流 孕育 处 理 金属 熔 体及 其 遗 传行
为 的研 究 ＿ ， 得金 属凝 固组 织 均有 不 同程度 １ 所 ８
的细 化 。 他们认 为 电脉 冲处理 对金属 熔体具 有显 著 的孕 育效 果 ， 进 了形 核 率 的增 加 ， 促 因而使 等
技 术 的重要发 展方 向 。
要研究 内容 ， 而控 制金 属凝 固过程 以细 化金 属凝 固组 织是改 善铸 件性 能 的重 要手 段之 一 ， 已有 的 细 化方 法 大致 可 以分 成三 种 ： 理 法 （ 机 械振 物 如 动、 电磁搅拌 等 ）化学 法 （ 、 如添加 形核 剂 、 长大抑 制剂等 ） 和外加 物 理场 法 （ 如超声 波 、 电场 、 磁场
Ｔａ ． Ｃｏ ａ ｉｏ ｆｇａ ｎ Ｉ ｉ ｎｇｅ ｃｓｏｂａ ｎ ｄ ｗｉ ｂ１ ｍｐ ｒｓ ｎ ０ ｒ ｉ ℃ｆ ｎｉ ｆ ｔ ｔｉ ｅ ｔ ｈ
脉冲电流作用下金属凝固研究现状评述
冲电流施加到ｓ ＿ 合金的凝固过程 ，发现金属凝固组 ｎＰ ｂ
织可由粗大 的树枝 晶转变为近球状 的细小 晶粒 ，凝 固组 织 获得 较大改善 （ 问 。此外 ，在金属凝 固过程 中施 图１ ）
图１ 脉 冲电流对Ｓ － ｗ ％Ｐ 合金凝固组织 的影响 ｎ１ ｔ ｂ ５
Ｆｇ １ ｆｅｔ ｆ ｌｃｒｃｃ ｒｅ ｔ ｕｓ ｎｔｅｍｉｒ ｓｒｃｕ ｅ ｆ ｎ １ ｉ． Ｅｆ ｃ ｏ ｅｅｔｉ ｕ ｒｎ ｐ ｌｅｏ ｈ ｃｏｔｕ ｔｒ ｏ Ｓ － ５ｗｔ ％Ｐｂ ｌ ｙ ａｌ ｏ
内在规 律 ，并 获得 优 化参 数 从 而改善 金属 凝 固组 织 。 研究 工作主要集 中在 脉冲 电流的施加方式 、材料选择 、
ＭＡＪａ －ｏ ｇ ＧＡ Ｙ － ｉＬ Ｊ ， Ｈ －ｅ ｉ ｈ ｎ ， Ｏ ｕｌ ， Ｉ ｉ Ｚ ＡＩ ｊ ｎ ａ ｅ Ｑｉｉ
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金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从熔化状态向固态转变的过程。
金属凝固是金属加工和制造中的关键工艺之一，对于金属材料的性能和结构具有重要影响。
金属凝固有两种基本模式，分别是平衡凝固和非平衡凝固。
平衡凝固是在金属熔体达到热力学平衡条件下进行的凝固过程。
在平衡凝固过程中，金属熔体的凝固速度较慢，使得晶体有足够的时间进行有序排列，形成结晶的晶格结构。
这种凝固方式下得到的晶体结构一般是均匀、致密的。
而非平衡凝固则是在金属熔体未达到热力学平衡条件下进行的凝固过程，通常是由于快速冷却或其他条件的限制。
非平衡凝固下得到的金属结构通常不具备完整的晶格结构，其中可能包含一些缺陷，如晶界、孪生晶和扩散限制。
金属凝固的主要原理包括热力学原理和动力学原理。
热力学原理研究的是金属凝固的平衡过程和热力学参数，如凝固温度、凝固速度等。
相变热是研究金属凝固的重要参数之一，它是单位质量金属从液态到固态过程中释放或吸收的热量。
相变热的大小直接影响到金属凝固过程的温度和能量交换。
动力学原理研究的是金属凝固的凝固速率和晶体生长行为。
凝固速率与温度梯度成正比，与金属的热导率和定向凝固度有关。
晶体生长通常是以晶核为起点，通过界面扩散分子在凝固过程中不断形成新的晶核，最终形成完整的晶体结构。
在金属凝固中，晶体生长过程是一个重要环节。
晶体生长可以分为表面扩散和体内扩散两种方式。
表面扩散是指晶体表面上的原子或离子通过空间的跳跃来进行扩散，而体内扩散则是指晶体内部的原子或离子通过晶面间的空隙进行扩散。
晶体生长的速度与扩散速率和扩散路径有关，因此扩散是影响金属凝固过程的重要因素之一温度梯度和凝固界面形貌也是金属凝固的关键因素。
温度梯度会导致凝固界面的变形和变动，从而影响到晶体生长和凝固速率。
凝固界面的形貌也对凝固过程有重要影响。
对于非平衡凝固，凝固界面通常是不规则的，形成了一些晶界、孪生晶和其他缺陷。
这些缺陷会影响金属的性能和结构。
除了热力学和动力学原理外，还有其他一些因素也会影响金属凝固的过程。
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是一项重要的物理现象，它在很多领域有着重要的应用意义。
凝固过程就是当温度下降到金属的凝固点时，金属从一种液体形态变为固态。
借助对金属凝固原理的理解，我们可以更好地解释金属在这一过程中发生的各种变化。
金属凝固过程是指金属原子内部原子排列结构变化，金属固态相比液态有更高的结构性能，这就是为什么当金属温度低于凝固点时，它就从液态直接变为固态的原因。
同时，密度也会随着温度的逐渐降低而增大。
金属的凝固是一个动态的过程，由于金属原子内部排列结构的改变，其凝固扩散过程会随着温度的降低而增强，金属原子重新排列并形成固态结构。
这种凝固模式可以分为三个主要阶段：空隙间隙态、储存态和融合态。
空隙间隙态是指在凝固温度低于液态点的情况下，金属原子重新排列并形成空隙间隙结构，使得表面空隙率有所增加。
在此状态下，由于表面的空隙率增加，金属原子内部的原子间距也变大，这就有利于金属原子聚集到一起，形成可以更容易冻结的固态结构。
储存态指的是在凝固温度维持在液体状态之上，金属原子逐渐重新排列，形成新的固态结构，但它们仍处于可储存的状态。
可以将这一情况比作一张暂时储存数据，但是还没有执行操作的硬盘，此时金属结构仍处于虚态，不可能正常运转，但也不会因温度的下降而发生任何变化。
融合态就是金属原子重新排列，它们互相融合，形成一个更稳定的固态结构。
在这个阶段，金属原子重新排列，变得更加紧密，并且金属的形状也稳定了下来。
随着温度的持续降低，金属的形状将得到完全的稳定，这是最终的固态结构。
由此可见，金属的凝固是一个动态而复杂的过程，经历着三个主要阶段：空隙间隙态、储存态和融合态，这两个阶段都有其特定的特点和特性，并且影响金属的结构性能。
此外，金属的凝固过程不仅受温度的影响，还受金属的熔点、熔点和晶体结构等因素的影响。
综上所述，金属凝固是一个复杂而动态的过程，它不仅受温度影响，而且还受金属的结构性质等因素的影响。
凝固过程中，金属原子从液态状态逐渐变为固态，形成一些新的结构形态，有助于金属的力学性能。
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To find the best match to improve the refining efficiency.
I
II
III
IV
1— pulse generator; 2— digital oscillograph; 3 — copper strip; 4 — electrodes; 5 — sand mould; 6— sample.
熔融金属仍是一个电阻率为ρe的导 体,当电流通过时,电子与原子晶格发 生碰撞,产生热能,即焦耳热效应 Q=ρej2,从而导致熔体温度变 化:T=j2ρeτ/ρc 式中ρ—熔体密度; c—比热容; τ— 通电时间
• 产生两大作用：
• （1）对凝固体系来讲,焦耳热相当于内热源,它使 熔体整体冷速下降,过冷度减小。
• Barnak等对 Sn60%-Pb40% 合金进行了施加 电脉冲实验。 • 其研究结果表明, 随着电流密度的 增加和频率的减 小，共晶团尺寸 也大幅减小。
• Barnak.J.P 等人的研究 还表明随电 流密度增加, 过冷度ΔT也 随之增加 （如右图所 示）。
• 脉冲电流对金属凝固组织的研究是从低温合金 逐渐向高温合金过渡的。早期研究中，主要集 中在Pb - Sn 合金。
With Mode IV, the region of the equiaxed grains expanded further, and there are some fine equiaxed grains even near the top surface. The highest proportion (82%) of fine equiaxed grain area was obtained in Mode IV.
脉冲电流在细化金属凝固 组织中的作用
12级材料加工二 梁柱元
Hale Waihona Puke 1.前言 2.研究动态及现状 3.作用机理 4.结语
晶粒细化是控制金属材料组织的最重要、 最基本的方法,其不但能提高材料的强度和 塑性, 还能显著提高其力学性能。
而把脉冲电流引入其中，是凝固控制技术 的重要进展。脉冲电流能有效地细化金属 凝固组织，而且环保、经济、潜力巨大， 已成为当前研究的热点,受到研究者们的广 泛关注。
Jianhong Ma, Jie Li, Yulai Gao, Qijie Zhai
In the previous researches, the methods to apply ECP could be classified into two types.
two electrodes were inserted into the top surface of the melt; the electrodes were placed at each end of the mould.
With Mode I and Mode II, the upper part of the samples was mainly consists of large columnar crystals, yet the lower part of the samples obtained fine equiaxed grains,and the area fraction of fine grains was about 38.3% and 51.8% respectively.
• 分析：
• ΔH1的增加,将导致合金热能的增加,且金属 熔液在电脉冲处理时释放的结晶潜热量大 于未加电脉冲时的潜热释放量,从而使冷速 下降,导致形核率增大,最终组织细化。 但这一理论是在假设ΔHt 不变条件下讨论 的,并未涉及到因电脉冲产生的起伏效应而 引起的ΔHt的变化,以及ΔH1与ΔHt的定性、 定量关系。故这一理论还需深入探讨。
• 脉冲电流处理对于细化金属凝固组织 有着显著作用。虽然其机理还有待深 入研究,当前该技术还难以直接应用于 生产,但这一技术具有广阔的前景和巨 大的潜力,在可以预测的 • 将来,随着研究的不断进 • 行,脉冲电流处理技术定 • 能得到深入发展,广泛应用,造福人类。
Grain refinement of pure Al with different electric current pulse modes
• 初步研究表明:在液相线以上温 度较低的熔体中，存在许多类 固相原子团簇,随温度升高,熔 体中类固相原子团簇不断熔解 和分散,最后熔体的结构将变成 没有团簇的无序均匀结构。
• 当脉冲电流作用于低温熔体时,所产生的瞬 时电磁力也将作用于熔体的原子团簇,当电 感应磁力足够大时,一方面能破坏原子团簇 尺寸,增加团簇数量,另一方面阻碍了小团簇 的电迁移效应而引起团簇凝聚。 • 当熔体温度开始降低时,融体中被破坏,尺寸 更小的团簇有可能作为凝固结晶核心形核 长大,这样导致最终凝固组织的细化。根据 团簇理论,随团簇尺寸的变化,团簇的物理和 化学性质随包含的原子数目而变化,这将最 终导致试样一些性能的变化。
one sample was treated with an ECP while the other was untreated. The ECP treatment was continued for 3.5 min.
The cooled samples were cut longitudinally for metallographic examination
脉冲电流，即是方向不变,强度随时间周期性改 变的电流,也叫脉动电流。
• 1984 年，印度学者 A.K.Misra在三元合 金Pb -Sb - Sn 凝固 过程中施加直流电。 结果发现凝固后的 组织得到了细化。 从此开创了电流控 制细化凝固组织的 新技术。
1990 年，M.Nakada 等首次使用脉冲电流 作用于Sn - Pb 合金的凝固过程，发现凝固 组织从粗大的树枝状组织变为等轴晶组织， 而且电压越高等轴晶组织比例越大。
• 同时,由于B与j在熔体内部不同位置而有所不同, 因而在金属内部会产生收缩力梯度,各单位流 团之间会产生流速差。
• 依据牛顿第二定律 ,由于流速差的存在, 在熔体内部产生剪切力。
• 这种运动的作用：
• （1）抑制了金属熔体中型壁处晶核的长 大,甚至可能在熔体与型壁处形成一个间 隙层。 • （2）使熔体中已形成的枝晶碎裂。 • （3）使熔体迅速失去过热,增加过冷度, 提高形核率,故而得到细化的凝固组织。
• 而M.Nakada 等在使用脉冲电流研究Sn15%Pb 合金的凝固过程中，发现凝固组织不 再出现柱状晶，而变成球状等轴晶。
近年来，研究人员将脉冲电流作用于凝固温度较高 的纯Al、Al - Si、Al - Cu 合金及碳钢、铸铁、不锈 钢等高温合金的凝固过程。 上海大学翟启杰教授领导的课题组在对纯Al 施加脉 冲电流处理后，凝固组织发生显著细化（如下图所 示）。
The picture showed the typical solidification structure of pure Al, i.e. the columnar crystal dominant in the samples without exerting ECP.
The solidification structures after applying ECP at different modes were presented in the picture. It is clear that the solidification structure of each sample can be divided into equiaxed and columnar grain region.
Namely the electromagnetic force of ECP continuously make the heterogeneous nuclei formed on the mould wall fall off and move into the liquid metal, leading to the multiplication of nuclei and resulting the solidification structure refinement .
In this paper, the solidification structure refinement of pure Al with ECP at different locations in the mould was investigated.
To understand the grain refinement mechanism during solidification by applying ECP at other positions in the mould.
• （2）对一个固液共存的凝固体系,固相金属的电 阻率远小于同材料液体电阻率,故电流优先通过固 相体系,因而固相体系产生的焦耳热效应远大于液 相,这就可能导致固相重熔现象发生,降低了固液界 面温度梯度,从而导致凝固体体系接近同时凝固,结 晶出比较均匀的凝固组织。
• 在合金凝固过程中通入电脉冲,和焦耳 热效应有着类似效果,促使了结晶潜热 的释放,理论依据为: • ΔH=ΔH0-ΔHt+ΔH1 • ΔH—合金液最终热能; ΔH0—凝固开始 时的热能; ΔHt —冷却过程中传出的热 能; ΔH1 —结晶过程释放的结晶潜热。
In the case of Mode III, the area of coarse columnar crystal tends to be reduced while the region of the equiaxed grains expanded more widely than that with Modes I and II. The area fraction of fine grains in Mode III was achieved to 65.6%.