材料科学基础_第4章_凝固
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凝固理论的应用举例 定向凝固
凝固理论的应用举例
四、非晶态固体的形成
非晶态固体在这里是指在常规的凝固过程中,材料的凝固 是以结晶方式进行,得到晶体材料,利用特殊的方法,让其凝固 为非晶体材料。有些材料在非晶态下有独特的物理、化学性能可 为人类服务;还有些材料先得到非晶态,再利用某种工艺让其在 固态下转变为晶体,这时材料的成分均匀,晶粒尺寸可在微米 (μ m)级以下,甚至达到nm级,以达到获得独特的性能。 制作非晶态材料依材料的不同而采取不同的手段,但基本 方法用极快的冷却速度将液体冷却下来,让其来不及形核,到低 温下因黏度明显增加就呈现为固体。金属材料的冷却速度需要达 到106℃/sec,如将小液滴通过低温的轧辊,可得到很薄的非晶 态薄片。 在此仅提出概念,晶体材料也可在非晶态的环境下存在, 尽管热力学上是不稳定的,但只要在应用的有限时间存在,就是 一种可应用的材料。
凝固理论的应用举例
二、单晶的制备
尽管在工程材料中应用的绝 大多数是细晶粒多晶体材料,在 高温应用一些粗晶粒的材料,但 在一些专门的场合,如电子工业 或科学研究中也经常需要单晶体 材料。根据凝固理论,要想得到 单晶体,在凝固的过程中只有晶 体长大而不能有新的晶核形成, 采取的措施就是: 1) 熔体的纯度非常高,防止非均匀形核; 2) 液体的温度控制在精确的范围内,过冷度很小,可以生长但 不足以发生自发形核; 3) 引入一个晶体(晶种),仅让这个晶体在此环境中长大。
凝固理论的应用举例
一、铸态晶粒的控制
二、单晶体的制备
三、定向凝固技术 四、非晶态固体的形成
凝固理论的应用举例
一、铸态晶粒的控制
金属凝固后的晶粒大小对铸锭的性能有显著影响。在室温条件 下,对一般金属材料而言,晶粒越细小,其强度 硬度 塑性及 韧性都可能提高。因此,控制铸件的晶粒大小具有重要的意义。 决定晶粒尺寸的要素: 从液体凝固后,每个晶核生长成一个晶 粒,晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理论分析表明晶粒尺寸 决定于N/G,即形核率高晶粒细小,而长大速度快,晶粒尺寸增 大。
凝固理论的应用举例
三、定向凝固技术
定向凝固是控制冷却方式,是铸件从一端开始凝 固,按一定方向逐步向另一端发展的结晶过程。目前 已用这种定向凝固法生产出整个制件都是由同一方向 的柱状晶所构成的零件,如涡旋轮叶等。由于沿柱状 晶轴向的性能比其它方向性能好,而叶片工作条件恰 好要求沿这个方向上受最大的负荷,因此这样的叶片 具有良好的使用性能。为了获得单向的柱状晶,必须 采用定向凝固技术
细化铸态晶粒有以下措施:
凝固理论的应用举例
1、增加过冷度
一定体积的液态金属中,若形核率N(单位时间单位体 积形成的晶核数)越大,则结晶后的晶粒越多,晶粒就越 细小;晶粒长大速度G(单位时间晶体长大的速度)越快, 则晶粒越粗。
随着过冷度的增加,形核ຫໍສະໝຸດ 度和长大速度都会增大。但 前者的增大更快,因而比值N/G也增大,结果使得晶粒细化。
2、变质处理
变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂,以 增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大以及细化晶粒和改善 组织。
凝固理论的应用举例
3、振动
在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法, 可以破碎正在生长中的树枝状晶体,形成更多的结晶核心, 获得细小的晶粒。
4、电磁搅拌
将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中,由于电磁 感应现象,液态金属会翻滚起来,冲断正在结晶的树枝晶体 的晶枝,增加结晶核心,从而可细化晶粒。