材料加工新技术与新工艺-2-1

② 制备难加工材料薄带、细小线材和块体材料
例如，超合金和Cu-10％Sn青铜等热加工性能差(易 产生龟裂)的材料，通过快速冷却减少偏析，细化组织， 就可提高变形性能，实现热加工；又如温度保险丝用PbBi共晶合金等细线强度低，拔丝困难，可采用旋转水纺线 法制备。
③ 简化制备工序，实现近终形(near net shape)成形
增大而使晶粒细化。随着冷却速度的增大，晶粒尺寸减小， 可获得微晶乃至纳米晶。 ④ 析出相的结构发生变化
大的冷却速度可使析出相的结构发生变化。某些相同 成分的合金在不同冷却速度下可获得完全不同的组织。 ⑤ 形成非晶态
当过冷度极大时，结晶过程将被完全抑制，从而获得 非晶态的固体。
3. 快速凝固的用途
快速凝固的用途主要有以下几个方面。 ① 获得新的凝固组织，开发新材料
快速凝固技术给高温合金领域带来更多的优势，使其 产品偏析减少，弥散相稳定，抗氧化性能提高，有利于扩 展合金的应用范围。
此外，快速凝固技术在铜基合金、贵金属合金、磁性 材料等方面都有应用并能发挥其技术优势
非晶态金属材料是快速凝固技术应用的成功实例，它 不仅具有特殊的力学性能，如表2-1所示，同时也可获得 特殊的物理和化学性能，如超导特性、软磁特性及耐腐蚀 特性。
过冷度越大，晶体的生长速度也越快。
合金平衡凝固时，要通过扩散来实现溶质的再分配， 而当晶体成长速度增大后，溶质来不及移动，故不能实现 平衡凝固；同时，根据固-液界面稳定性理论，晶体成长 速度足够快时，固-液界面将保持平滑。这些都预示着快 速凝固可消除微观偏析。总之，快速凝固可得到新的凝固 组织。
快速凝固的定义： 由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获
得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结 构的过程。
对于快速凝固过程，采用适当的假设和边界条件 解热平衡方程式，可求解冷却速度。也可采用热电偶 和示波器实测，或者通过测量试样的枝状晶二次枝间 距和共晶层间距，求出凝固速度，再运用凝固速度和 冷却速度的关系式求出冷却速度。
2. 快速凝固组织的特征
薄板坯连铸已获得工业应用，典型产品厚度为60mm 而常规板坯的典型厚度为200mm，带坯连铸(铸轧)也开 始了工业应用，其产品厚度为0.5-3mm。
新的凝固组织包括凝固组织的微细化、过饱和固溶体 和非晶相的出现等。
凝固组织越微细，得到高强度和超塑性材料的可能性 就越大，也有可能通过再结晶来制备单晶材料。
过饱和固溶体结构可得到高强度材料，并且可通过热 处理获得各种性质的材料。
非晶材料具有优异的电磁性能、耐腐蚀性能、强度和 触媒性能等特点。
铝合金，采用快速凝固技术可使A1-Li合金中的锂含量增 加，合金的密度可大幅度降低。特别是在Al-Li合金中加入 适量的铍，则其用途更为可贵，由于密度进一步降低，可 用于制造战斗机的翅膀上盖。
钛合金，如Ti-6Al-4V带来好处。其晶粒细化和相的变化 能改善合金的疲劳性能。
镁合金是低密度的结构金属，但其强度较低，用途受到限 制。采用快速凝固技术可使其具有细化组织和亚稳定相， 从而改善其力学性能，在某些情况下可代替铝合金。
采用快速凝固粉末制备工具钢，可细化碳化物并消除 其宏观偏析，并可提高合金含量，因而可提高其工艺性能 和使用性能。
液态合金——常规凝固—百度文库晶体材料 液态合金——快速凝固——过饱和固溶体、非平衡晶 体、非晶体
20世纪70年代出现了用快速凝固技术处理的晶态材 料，80年代人们逐渐把注意力转向各种常规金属材料的 快速凝固制备上，90年代大块非晶合金材料的开发与应 用取得重大进展。
目前，快速凝固技术已成为冶金工艺学和金属材料 学的一个重要分支。
例如，非晶合金取代硅钢片制作变压器可使其内耗大 为减小，解决了变压器在特殊条件下使用时的发热问题。 大块非晶合金的研究为非晶态金属材料开辟了更为广泛的 应用前景。非晶态金属材料已成为材料科学研究的前沿领 域之一。
表2．1 非晶态金属的一些力学性能
力学性能 强度 弹性 塑性
韧性 温度效应
疲劳 断裂
表现
快速凝固条件下凝固过程的特征主要表现在以下几个 方面。
① 偏析形成倾向减小
随着凝固速度的增大，溶质的分配系数将偏离平衡， 实际溶质分配系数总是随着凝固速度的增大趋近于l。偏 析倾向减小。
② 形成非平衡相
在快速凝固条件下，平衡相的析出被抑制，常析出非 平衡的亚稳定相。
③ 细化凝固组织 大的冷却速度不仅可细化枝晶，而且由于形核速度的
快速凝固技术既是研究开发新材料的手段，也是新 材料生产方法的基础，同时还是提高产品质量、降低生产 成本的好途径。
1. 快速冷却与快速凝固
通常以冷却速度来表征快速冷却的程度。 冷却速度在整个温度域并非定值，因此要注意其温 度范围。常采用凝固即将开始时的数值，或固液相共存 区的平均值。 大型铸件的冷却速度约为10－3～10-1K／s，
高于任何结晶态金属，略低于晶须
弹性模量比晶化的低，泊松比较高(约0.4) T≤Tg时，表现为弹性-塑性固体，T≥Tg时，表现为均匀 的粘滞性流变
(Tg：玻璃态转变温度) 在高强度的同时有较高的韧性
强度有明显的温度依赖性，在Tg附近有显著的软化现象 存在疲劳极限，疲劳比值约0.35 在一般剪切断口上可观察到尺寸比较大的剪切带
中等铸件的冷却速度约为10K／s，
特薄压铸件的冷却速度可达102K／s，
更高的冷却速度则要采用特殊的快速凝固技术来获 得，快速凝固过程的冷却速度可高达106～109K／s 。
快速冷却可产生过冷，冷却速度越快，过冷度越大。
从热力学角度看，过冷度越大，产生各种亚稳定相的 可能性就越大。当然，过冷并非只能通过快速冷却得到， 通过抑制凝固过程的形核，也可使台金熔液获得很大的过 冷度。
第2章 快速凝固
§2.1 概述
快速凝固的概念和技术，源于20世纪60年代初Dwez 等人的研究，他们发现某些共晶合金在平衡条件下本应生 成双相混合物，但当液态合金以足够快的冷却速度凝固(合 金熔液滴被气体喷向冷却板)时，则可能生成过饱和固溶体、 非平衡晶体，更进一步能生成非晶体。而且由此发现一些 材料具有超常的性能，如电磁、电热、强度和塑性等方面 的性能，出现了用于电工、电子等方面的非晶材料。