12 凝固理论的应用
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南航材料学院
王寅岗
一次对称轴
二次对称轴
三次对称轴
四次对称轴
五次对称轴
பைடு நூலகம்
六次对称轴
七次对称轴
八次对称轴
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五次对称轴——准晶体
急冷技术的发展和研究，1984年发现了有五次对称轴的晶体，，原子在晶体 内部长程有序，具有准周期性，介于晶体与非晶体之间。 遵循形核、长大规律完成液、固转变，相变受原子扩散控制 准晶必须在一定冷速范围内形成。
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模冷技术
5 急冷凝固技术 —模冷技术、雾化技术
是将溶体分离成连续和不连续的，截面尺寸很小的熔体流， 使其与散热条件良好的冷模接触而得到迅速凝固，得到很薄的丝 或带。如平面流铸造法，熔体拖拉法。
雾化技术
是把熔体在离心力、机械力或高速流体冲击力作用下，分 散成尺寸极小的雾壮熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中凝固 ， 得到急冷凝固的粉末。常用的有离心雾化法、双辊雾化法。
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南航材料学院
一、铸锭的宏观组织控制：控制晶粒的大小
王寅岗
a.增加过冷度
过冷度增大，N/V0增加
实际结晶时，过冷度是由冷却速度来控制的
b.变质处理
c.振动，搅拌
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AlMg合金没有变质处理晶粒
AlMg合金经过变质处理晶粒
18
二、单晶的制取 ——1、垂直提拉法 南航材料学院 王寅岗
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
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第六节 凝固理论的应用
3 定向凝固技术 （1）原理：单一方向散热获得柱状晶。 （2）制备方法。
非晶态金属具有一系列突出的性能，如具有很高的室温强度、硬 度和刚度，具有良好的韧性和塑性。 由于非晶态无晶界、相界、无位错、无成分偏析，所以有很高的 耐蚀性及高电阻率、高导磁率、低磁损和低声波衰减率等特性，广泛 用于高技术领域。
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王寅岗
非晶态合金的制备
24
南航材料学院
王寅岗 • 非晶态的形成倾向和稳定性，一般用下述参数衡量
Al-Mn, Al –Co , Al-Mn -Fe , Al – V , Al-Mn -Si , Pd-U-Si 合金中发现了准晶体
33
Zv=0.9(N/G)3/4 （1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，
适用于小件。
（2）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。 （3）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。
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第六节 凝固理论的应用
2 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。
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弱面
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12.1 铸锭（铸件）的宏观组织控制
3
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王寅岗
12.1 铸锭（铸件）的宏观组织控制
半连续铸锭示意图
4
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12.1 铸锭（铸件）的宏观组织控制
特殊情况下可得到全部为柱状晶和等轴晶
5
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12.1 铸锭（铸件）的宏观组织控制
例：三个成份相同，但铸造温度和铸模 材料不同的铸件得到三种横截面： A. 粗等轴晶 B.细等轴晶 C.典型三层晶 带组织，试解释为何产生不同的组织。
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第六节 凝固理论的应用
4 急冷凝固技术 （1）非晶金属与合金 （2）微晶合金。 （3）准晶合金。
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柱状晶 形成弱 面，热 轧时开 裂
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• 铸锭中心等轴晶粒的来源：
仔晶卷入，枝晶漂移 ，晶体下沉
A： Δ TG =TM-TG TM：熔点 TG：玻璃化温度
Δ TG越小，越易获得非晶态 B： Δ TC=TC-TG TC：非晶态的晶化温度 Δ TC增加，非晶态的稳定性增加
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5 急冷凝固技术
•
急冷凝固技术
是设法将熔体分割成尺寸很小的部分，增大熔体的 散热面积，再进行高强度冷却，使熔体在短时间内凝固以 获得与模铸材料结构、组织、性能显著不同的新材料的凝 固方法。采用急冷凝固技术可以制备出非晶态合金、微晶 合金及准晶态合金，为高技术领域所需的新材料的获取开 辟了一条新路。 急冷凝固方法按工艺原理可分为三类，即模冷技术、 雾化技术和表面快冷技术。
•
利用急冷技术可以获得晶粒尺寸达微米和纳 米的超细晶粒合金材料，我们称之为微晶合金和纳 晶合金。 • 急冷凝固的晶态合金的晶粒大小随冷速增加 而减小。作为结构用的微晶合金制备都是由急冷产 品通过冷热挤压、冲击波压实法来制备的。微晶结 构材料因晶粒细小，成分均匀，空位、位错、层错 密度大，形成了新的亚稳相等因素而具有高强度、 高硬度、良好的韧性、较高的耐磨性、耐蚀性及抗 氧化性、抗辐射稳定性等优良性能。
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•
表面快热技术
即通过高密度的能束如激光或高能电子束扫描工件 表面使工件表面熔化，然后通过工件自身吸热散热使表层 得到快速冷却。 也可利用高能电子束加热金属粉末使之熔化变成熔滴 喷射到工件表面，利用工件自冷，熔滴迅速冷凝沉积在工 件表面上，如等离子喷涂沉积法。
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六、微晶合金
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王寅岗 二、单晶的制取 ----2、尖端形核下移法
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三
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定向凝固
王寅岗
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• 四、非晶态合金
在特殊的冷却条件下金属可能不经过结晶过程而凝固成保留液体短程有序 结构的非晶态金属，一般其结构与液态相同也就是把液态金属原子排列固定到固 态。非晶态金属又称为金属玻璃。
A B C 高的浇注温度，导热性差的砂模 低的浇注温度,导热性差的砂模 适中的浇注温度,导热性好的砂模
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12.1 铸锭（铸件）的宏观组织控制
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12.1 铸锭（铸件）的宏观组织控制
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12.1 铸锭（铸件）的宏观组织控制
1 材料铸态晶粒度的控制
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凝固理论的应用
12.1 12.2 12.3 12.4
铸锭（铸件）的宏观组织控制 单晶制取 定向凝固 急冷凝固
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12.1 铸锭（铸件）的宏观组织控制
一、三层典型组织
1.激冷层（表面细晶区） 2.柱状晶区 3.中心等轴晶区
3.中心等轴晶区
2.柱状晶区
1.激冷层（表面细晶区）
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七、准晶合金
• 晶体物质的点阵具有周期性的对称性。对称性是指晶体经某种对 称操作后能复原的一种属性。例如在晶体中取一直线令晶体绕该 轴转动，若晶体转360°复原一次称为该晶体具有一次对称轴，复 原两次称为具有二次对称轴，依此类推。
• 理论证明，晶体物质只有 1、2、3、4、6五种对称轴。 没有五次及高于六次的对称轴，否则晶胞不能填满空间，而形成 空隙 破坏晶体的周期性。
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•
由模冷技术和雾化技术所得的制品多为 薄片、线体、粉末。 要得到尺寸较大得急冷凝固材料的制品 用于制造零件，还需将粉末等利用固结成型 技术如冷热挤压法、冲击波压实法等使之在 保持快冷的微观组织结构条件下，压制成致 密的制品。
•
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五、急冷凝固技术——表面快热技术
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一次对称轴
二次对称轴
三次对称轴
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五次对称轴——准晶体
急冷技术的发展和研究，1984年发现了有五次对称轴的晶体，，原子在晶体 内部长程有序，具有准周期性，介于晶体与非晶体之间。 遵循形核、长大规律完成液、固转变，相变受原子扩散控制 准晶必须在一定冷速范围内形成。
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模冷技术
5 急冷凝固技术 —模冷技术、雾化技术
是将溶体分离成连续和不连续的，截面尺寸很小的熔体流， 使其与散热条件良好的冷模接触而得到迅速凝固，得到很薄的丝 或带。如平面流铸造法，熔体拖拉法。
雾化技术
是把熔体在离心力、机械力或高速流体冲击力作用下，分 散成尺寸极小的雾壮熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中凝固 ， 得到急冷凝固的粉末。常用的有离心雾化法、双辊雾化法。
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一、铸锭的宏观组织控制：控制晶粒的大小
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a.增加过冷度
过冷度增大，N/V0增加
实际结晶时，过冷度是由冷却速度来控制的
b.变质处理
c.振动，搅拌
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二、单晶的制取 ——1、垂直提拉法 南航材料学院 王寅岗
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3 定向凝固技术 （1）原理：单一方向散热获得柱状晶。 （2）制备方法。
非晶态金属具有一系列突出的性能，如具有很高的室温强度、硬 度和刚度，具有良好的韧性和塑性。 由于非晶态无晶界、相界、无位错、无成分偏析，所以有很高的 耐蚀性及高电阻率、高导磁率、低磁损和低声波衰减率等特性，广泛 用于高技术领域。
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非晶态合金的制备
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王寅岗 • 非晶态的形成倾向和稳定性，一般用下述参数衡量
Al-Mn, Al –Co , Al-Mn -Fe , Al – V , Al-Mn -Si , Pd-U-Si 合金中发现了准晶体
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Zv=0.9(N/G)3/4 （1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，
适用于小件。
（2）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。 （3）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。
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特殊情况下可得到全部为柱状晶和等轴晶
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例：三个成份相同，但铸造温度和铸模 材料不同的铸件得到三种横截面： A. 粗等轴晶 B.细等轴晶 C.典型三层晶 带组织，试解释为何产生不同的组织。
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柱状晶 形成弱 面，热 轧时开 裂
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• 铸锭中心等轴晶粒的来源：
仔晶卷入，枝晶漂移 ，晶体下沉
A： Δ TG =TM-TG TM：熔点 TG：玻璃化温度
Δ TG越小，越易获得非晶态 B： Δ TC=TC-TG TC：非晶态的晶化温度 Δ TC增加，非晶态的稳定性增加
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•
急冷凝固技术
是设法将熔体分割成尺寸很小的部分，增大熔体的 散热面积，再进行高强度冷却，使熔体在短时间内凝固以 获得与模铸材料结构、组织、性能显著不同的新材料的凝 固方法。采用急冷凝固技术可以制备出非晶态合金、微晶 合金及准晶态合金，为高技术领域所需的新材料的获取开 辟了一条新路。 急冷凝固方法按工艺原理可分为三类，即模冷技术、 雾化技术和表面快冷技术。
•
利用急冷技术可以获得晶粒尺寸达微米和纳 米的超细晶粒合金材料，我们称之为微晶合金和纳 晶合金。 • 急冷凝固的晶态合金的晶粒大小随冷速增加 而减小。作为结构用的微晶合金制备都是由急冷产 品通过冷热挤压、冲击波压实法来制备的。微晶结 构材料因晶粒细小，成分均匀，空位、位错、层错 密度大，形成了新的亚稳相等因素而具有高强度、 高硬度、良好的韧性、较高的耐磨性、耐蚀性及抗 氧化性、抗辐射稳定性等优良性能。
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•
表面快热技术
即通过高密度的能束如激光或高能电子束扫描工件 表面使工件表面熔化，然后通过工件自身吸热散热使表层 得到快速冷却。 也可利用高能电子束加热金属粉末使之熔化变成熔滴 喷射到工件表面，利用工件自冷，熔滴迅速冷凝沉积在工 件表面上，如等离子喷涂沉积法。
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• 四、非晶态合金
在特殊的冷却条件下金属可能不经过结晶过程而凝固成保留液体短程有序 结构的非晶态金属，一般其结构与液态相同也就是把液态金属原子排列固定到固 态。非晶态金属又称为金属玻璃。
A B C 高的浇注温度，导热性差的砂模 低的浇注温度,导热性差的砂模 适中的浇注温度,导热性好的砂模
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1 材料铸态晶粒度的控制
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一、三层典型组织
1.激冷层（表面细晶区） 2.柱状晶区 3.中心等轴晶区
3.中心等轴晶区
2.柱状晶区
1.激冷层（表面细晶区）
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七、准晶合金
• 晶体物质的点阵具有周期性的对称性。对称性是指晶体经某种对 称操作后能复原的一种属性。例如在晶体中取一直线令晶体绕该 轴转动，若晶体转360°复原一次称为该晶体具有一次对称轴，复 原两次称为具有二次对称轴，依此类推。
• 理论证明，晶体物质只有 1、2、3、4、6五种对称轴。 没有五次及高于六次的对称轴，否则晶胞不能填满空间，而形成 空隙 破坏晶体的周期性。
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由模冷技术和雾化技术所得的制品多为 薄片、线体、粉末。 要得到尺寸较大得急冷凝固材料的制品 用于制造零件，还需将粉末等利用固结成型 技术如冷热挤压法、冲击波压实法等使之在 保持快冷的微观组织结构条件下，压制成致 密的制品。
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