材料科学基础_第4章_凝固

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。