工程材料基礎(chǔ)材料的固化PPT課件

1、5.1.2 5.1.2 材料固化的特征 （1）第1類固化反應(yīng):液態(tài)金屬或合金一類的材料，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，所得到的固體為晶體材料，固化過程中其流動(dòng)性和其他物理性能會(huì)發(fā)生突然的變化，如圖（a）所示。（a）具有結(jié)晶轉(zhuǎn)變的物質(zhì)流動(dòng)性與溫度倒數(shù)（1/T）之間的關(guān)系，Tm是熔點(diǎn)溫度 有兩種不同的固化反應(yīng):第2頁/共69頁第1頁/共69頁5.1.2 5.1.2 材料固化的特征 （2）第2類固化反應(yīng) ：有些材料如玻璃、松香和瀝青等，它們從液態(tài)隨著溫度的降低而逐漸變?yōu)楣虘B(tài)，其流動(dòng)性和物理性能沒有突然的改變，得到的固體為玻璃體，而玻璃體是非晶體材料，如圖（b）所示， （b）具有玻璃化轉(zhuǎn)變物質(zhì)的流動(dòng)性與溫度倒數(shù)（

2、1/T）之間的關(guān)系，Tg是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 第3頁/共69頁第2頁/共69頁兩類物質(zhì)可能的固化反應(yīng)類型 不同材料所發(fā)生的固化反應(yīng)是隨著固化條件而變化的。第1類固化反應(yīng)與第2類固化反應(yīng)可相互轉(zhuǎn)化，見下圖。（a）w(Si)=20%的Pd-Si合金；（b）二氧化硅第4頁/共69頁第3頁/共69頁5.2 5.2 金屬的結(jié)晶 1. 1. 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 2. 2. 結(jié)晶的過冷現(xiàn)象 3. 3. 結(jié)晶的熱力學(xué)條件 4. 4. 結(jié)晶的一般過程 5.2.1 金屬結(jié)晶的條件與過程金屬結(jié)晶的條件與過程第5頁/共69頁第4頁/共69頁1.液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與固態(tài)金屬接近，而與氣體截然不同。液態(tài)金屬最近鄰原子的

3、排列情況接近于固態(tài)金屬，說明在微小區(qū)域內(nèi)液態(tài)與固態(tài)金屬有類似的結(jié)構(gòu)。近程有序排列：存在著無數(shù)微小的有序、規(guī)則排列的原子集團(tuán)，稱為近程有序排列。 結(jié)構(gòu)起伏：規(guī)則排列的原子集團(tuán)是不穩(wěn)定的，瞬時(shí)形成，又瞬時(shí)消失，時(shí)聚時(shí)散，形成結(jié)構(gòu)上的起伏，并為金屬結(jié)晶提供了結(jié)構(gòu)條件。 第6頁/共69頁第5頁/共69頁2.2.結(jié)晶的過冷現(xiàn)象 用熱分析法獲得液態(tài)金屬在緩慢冷卻時(shí)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，即冷卻曲線。 由冷卻曲線可知，結(jié)晶時(shí)有過冷現(xiàn)象：實(shí)際結(jié)晶溫度Tn低于理論結(jié)晶溫度Tm的現(xiàn)象稱為過冷。液態(tài)金屬過冷是結(jié)晶的必要條件。過冷度：T=Tm-Tn, 其大小除與金屬的性質(zhì)和純度有關(guān)外，主要決定于冷卻速度，一般冷卻速度愈

4、大，實(shí)際結(jié)晶溫度愈低，過冷度愈大。第7頁/共69頁第6頁/共69頁熱分析裝置和冷卻曲線 圖5-3 5-3 熱分析裝置示意圖 圖5-4 5-4 冷卻曲線 第8頁/共69頁第7頁/共69頁3.3.結(jié)晶的熱力學(xué)條件 熱力學(xué)第二定律表明，在等溫等壓條件下，一切自發(fā)過程的變化總是由高吉布斯自由能狀態(tài)向吉布斯自由能最小的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，稱為最小自由能原理。利用最小自由能原理分析結(jié)晶過程。兩相自由能差是相變的驅(qū)動(dòng)力。金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件：固相自由能必須低于液相自由能。 第9頁/共69頁第8頁/共69頁結(jié)晶的熱力學(xué)條件 （續(xù)）熱力學(xué)條件與過冷條件的一致性：液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)要滿足熱力學(xué)條件，取得轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力，就必須過冷

5、。轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力與過冷度關(guān)系為： Gv= - LmT/ Tm 由此可見,兩相自由能差與過冷度成正比,過冷度愈大、驅(qū)動(dòng)力愈大。T = 0時(shí)Gv = 0，沒有趨動(dòng)力，結(jié)晶就無法進(jìn)行。純金屬液固兩相自由純金屬液固兩相自由能能 - - 溫度曲線示意圖溫度曲線示意圖 第10頁/共69頁第9頁/共69頁4.結(jié)晶的一般過程形核：液相中出現(xiàn)結(jié)晶核心即晶核；晶核長大晶核長大：晶核形成后不斷長大，同時(shí)新晶核不斷形成并長大；不斷形核、不斷長大不斷形核、不斷長大；晶體形成晶體形成：各晶核相互碰撞,形成取向各異、大小不等的等軸晶組成的多晶體。液態(tài)第11頁/共69頁第10頁/共69頁結(jié)晶過程的兩個(gè)概念形核與長大是晶體形成的一

6、般規(guī)律。單晶體與多晶體。第12頁/共69頁第11頁/共69頁5.2.2 5.2.2 形核 金屬結(jié)晶時(shí)的形核方式：1. 均勻形核(自發(fā)形核)2. 非均勻形核(非自發(fā)形核)第13頁/共69頁第12頁/共69頁1. 均勻形核 定義：當(dāng)液態(tài)金屬很純凈時(shí)，在相當(dāng)大的過冷度下，固態(tài)晶核依靠液相內(nèi)部的結(jié)構(gòu)起伏直接從液相中均勻、自發(fā)地形核。 1).均勻形核的條件:(1) 尺寸條件（結(jié)構(gòu)條件）和能量條件(2) 過冷度的影響 第14頁/共69頁第13頁/共69頁(1)(1)尺寸條件和能量條件(1)(1) 液相中出現(xiàn)一個(gè)晶核，會(huì)引起體積自由能降低，即Gv=Gs-GL0。 新形成一個(gè)液固界面，使界面能增加。形核時(shí)系統(tǒng)

7、自由能的變化為： 設(shè)晶核為半徑 r 球形，則上式成為： vGVGS32434GrGvr第15頁/共69頁第14頁/共69頁(1)(1)尺寸條件和能量條件(2)(2)當(dāng)r=r*時(shí)，G達(dá)到極大值G*。 r*的大小可對G求導(dǎo)并令其等于零求得： 當(dāng)rr*時(shí)，r增大，G增大，系統(tǒng)自由能增加。因此，半徑小于r*的原子集團(tuán)不能在液相中穩(wěn)定存在，只能溶解而消失。故將半徑小于r*的原子集團(tuán)稱為晶胚。 當(dāng)rr*，r增大，G減小，系統(tǒng)自由能降低，故大于r*的原子集團(tuán)可以穩(wěn)定存在，作為晶核而長大。2480d GrGrdr*2rG 圖圖5-7 5-7 G G隨隨r r的的變化曲線示意圖變化曲線示意圖 第16頁/共69頁

8、第15頁/共69頁臨界晶核半徑 r=r*這樣尺寸的原子集團(tuán)可能長大也可能溶解消失，故稱為臨界晶核半徑?？赡荛L大是因?yàn)閞增大系統(tǒng)自由能會(huì)降低；也可能溶解消失是因?yàn)樾纬蓃*尺寸晶核時(shí)，系統(tǒng)自由能達(dá)到最大，且為正值，亦即r=r*時(shí)，體積自由能的降低不能補(bǔ)償界面能的增加，若要成核還必須從外界取得額外的能量供應(yīng)，即取得形核功方有可能。若不能取得形核功，尺寸為r*的原子集團(tuán)則會(huì)溶解消失。第17頁/共69頁第16頁/共69頁形核功和能量起伏 1.形核功大小 形核功為界面能的1/3，即形成臨界晶核時(shí)，體積自由能降低只能補(bǔ)償界面能的2/3，尚有1/3界面能需依靠能量起伏供給。 2.能量起伏它是指液相中各微區(qū)的能

9、量分布是不同的，而且處在起伏變化之中。在具有高能量的微觀區(qū)域形核，可以提供相當(dāng)于1/3界面能的形核功，以全部補(bǔ)償界面能，使G0?？傊?，均勻形核必須滿足兩個(gè)條件：依靠結(jié)構(gòu)起伏提供r r*的原子集團(tuán)充當(dāng)晶核；依靠能量起伏提供相當(dāng)于界面能1/3的形核功。2*2*1214 ()(4)33vGrG第18頁/共69頁第17頁/共69頁(2) (2) 過冷度的影響 臨界晶核半徑r*和形核功G*都與過冷度有關(guān):過冷度愈大，臨界晶核半徑愈小，形核功也愈小，形核就更為容易；原來尺寸較小的晶胚，隨過冷度增大，有可能成為晶核。333*2216163()3()mvmTGGLT第19頁/共69頁第18頁/共69頁最大晶胚

10、尺寸和臨界晶核半徑與過冷度的關(guān)系 由左圖可以看出：rmax = r*，對應(yīng)該點(diǎn)的過冷度稱為臨界過冷度。分析可知: 只有在一定過冷度下，依靠能量起伏提供形核功以全部補(bǔ)償界面能，使系統(tǒng)自由能降低，滿足G0的熱力學(xué)條件，依靠結(jié)構(gòu)起伏提供大小為r*的近程有序的原子集團(tuán)，便可以形成固相的穩(wěn)定晶核。 圖5-8 最大晶胚尺寸rmax和臨界晶核半徑r*與過冷度的關(guān)系第20頁/共69頁第19頁/共69頁 2 2）形核速率 在一定過冷度下形核的快慢可用形核率N來表示。形核率:是指在單位時(shí)間內(nèi)單位體積中所形成的晶核數(shù)，單位為1/cm3s。影響形核率大小的兩個(gè)因素: : a.從熱力學(xué)上來說，隨過冷度增大，r*減小，G

11、*減小，形核將會(huì)更為容易，形核率將會(huì)愈高。b.從動(dòng)力學(xué)上考慮，過冷度愈大，轉(zhuǎn)變溫度愈低，原子擴(kuò)散能力愈弱，不利于穩(wěn)定晶核的形成，使形核率降低。因此，形核率為這兩種相互矛盾的因素所控制。 第21頁/共69頁第20頁/共69頁形核率與溫度的關(guān)系下圖中N1為受形核功控制的形核率因子，隨過冷度增大，N1增大。N2為受擴(kuò)散控制的形核率因子，隨過冷度增大，N2減小。綜合兩種影響因素，形核率與過冷度的關(guān)系是一條凸曲線?？梢姡谶^冷度較小時(shí)，形核率受形核功因子N1所控制，隨過冷度增大，形核率迅速增大；但當(dāng)過冷度很大時(shí)，形勢率又受N2項(xiàng)控制而下降。(a) 過冷度對N1、N2的影響；（b）形核率與過冷度的關(guān)系 第

12、22頁/共69頁第21頁/共69頁金屬的形核率與過冷度的關(guān)系 金屬材料結(jié)晶傾向極大，形核率在達(dá)到極大值之前已結(jié)晶完畢，因此得不到曲線的左半部。由左圖可見，在達(dá)到某一過冷度之前，N一直很小，幾乎為零，而當(dāng)達(dá)到某一過冷度時(shí)N突然增大。將形核率突然增大的溫度稱為有效形核溫度。實(shí)驗(yàn)表明，金屬結(jié)晶時(shí)通常所 需 的 過 冷 度 很 大 ， 一 般 為0.2Tm。常見金屬均勻形核所測得的過冷度如表5-2所示。但實(shí)際生產(chǎn)中金屬結(jié)晶的過冷度一般不超過20，這是因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中都是非均勻形核之故。圖5-10 金屬的形核率N與過冷度T的關(guān)系 第23頁/共69頁第22頁/共69頁2.2.非均勻形核 非均勻形核：金屬液中

13、存在固體夾雜物，晶胚依靠這些固體夾雜物的現(xiàn)成界面而成核，稱為非均勻形核, 如下圖所示。圖圖5-11 5-11 非均勻形核示意圖非均勻形核示意圖 第24頁/共69頁第23頁/共69頁非均勻形核特點(diǎn)同樣存在體積自由能降低和界面能的增加，總的自由能變化為：G非VGV+GS 假設(shè)固相晶核為球冠形，晶核形成出現(xiàn)了兩個(gè)界面：S1是晶核與液相界面，S2是晶核與基底界面。 同時(shí)出現(xiàn)了液體晶核、晶核基底和液體基底三個(gè)界面張力，分別示為Ls、sb和Lb。晶核與基底的接觸角（或潤濕角）為。界面張力在交會(huì)處有以下平衡關(guān)系： Lb=sb+Ls cos第25頁/共69頁第24頁/共69頁 1）非均勻形核的條件非均勻形核時(shí)

14、，系統(tǒng)自由能的變化為： 式中Gs為總界面能， 形核時(shí)系統(tǒng)自由能變化為： vsGV GG非12()sLsSbLbGSS332323coscos()(23coscos)3vLsGGrr 非332423coscos(4)()34vLsGrGr非第26頁/共69頁第25頁/共69頁非均勻形核的條件（續(xù)）采用與均勻形核相同的處理方法令 ，則得臨界晶核半徑為： 非均勻形核功為： 表明非均勻形核的臨界晶核半徑與均勻形核的相同，不過r*非是晶核的曲率半徑，其晶核的體積僅是半徑r*的球冠部分，顯然是很小的?？上攵?，在均勻形核時(shí)無法成核的一些小晶胚，依附外來雜質(zhì)就可能成為晶核。0d Gdr*2LsvrG 非33

15、21623coscos()34LsvGG非第27頁/共69頁第26頁/共69頁非均勻形核形核功與接觸角的關(guān)系 當(dāng)=0，cos=1，G*非=0，說明形核時(shí)不需形核功，固相基底本身就是一個(gè)晶核。 當(dāng)=180，cos=-1，非均勻形核功與均勻形核功相等，這樣的固體基底對形核不起促進(jìn)作用。 當(dāng)0180時(shí)，1 cos-1，G*非G*，如=10，G*非=10-4G*；=30，G*非=0.02G*；=90，G*非=0.5G*。不同接觸角的晶核形狀如圖5-12所示，G*非/G*與接觸角的關(guān)系見圖5-13。第28頁/共69頁第27頁/共69頁不同接觸角的影響 圖5-13 G*非/G*與角的關(guān)系 圖5-12 不同

16、接觸角的晶核形狀 分析表明: 非均勻形核也需結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，所不同的是非均勻形核時(shí)晶核體積小，所需形核功小，即G*非G*，因此形核較容易，在較小過冷度下即可形核。 第29頁/共69頁第28頁/共69頁2 2）非均勻形核的形核率 臨均勻形核的形核率決定于以下因素：（1）過冷度 圖5-14表示非均勻形核與均勻形核時(shí)，形核率與過冷度關(guān)系的對比曲線。 1.均勻形核 2.非均勻形核 第30頁/共69頁第29頁/共69頁臨均勻形核的形核率影響因素（2）（2）固體夾雜 只有能減小夾雜與晶核之間接觸角的夾雜物，才能減小形核功，促進(jìn)非均勻形核。夾雜物與晶核之間應(yīng)有低的界面張力sb，才可作為非均勻形核的基底，

17、提供大的形核率。減小界面張力，夾雜物必須具有與晶核相同的晶體結(jié)構(gòu)，相近的點(diǎn)陣常數(shù)，稱為點(diǎn)陣匹配原理。 固體夾雜的表面形貌對非均勻形核也有很大的影響，如圖5-15所示。 圖5-15 不同形狀固體雜質(zhì)表面形核的晶胚大小 第31頁/共69頁第30頁/共69頁5.2.3 5.2.3 晶核長大 晶核長大: 當(dāng)晶核形成之后,液相中的原子或原子團(tuán)通過擴(kuò)散不斷地依附于晶核表面上，使固液界面向液相中移動(dòng)，晶核半徑不斷增大的過程謂之長大。晶核長大的過程可從微觀和宏觀兩方面進(jìn)行分析，微觀長大指液態(tài)原子進(jìn)入固相晶核表面（液-固界面）的方式，宏觀長大則指晶核長大中液-固界面所具有的形態(tài)。 第32頁/共69頁第31頁/共

18、69頁1.1.晶核長大條件 由左圖：Ti為界面溫度，Tk= Tm - Ti ，稱為動(dòng)態(tài)過冷度。晶核形成后只有液固界面取得動(dòng)態(tài)過冷度，界面才能移動(dòng)使晶核長大，謂之晶核長大條件。一般金屬的動(dòng)態(tài)過冷度很小 ， 大 約 在 0 . 0 1 - 0.05。圖5-16 溫度對熔化速率和凝固速率影響，圖中Tm為熔點(diǎn)， Ti 為凝固時(shí)可能的界面溫度第33頁/共69頁第32頁/共69頁2. 2. 微觀長大方式 1）液固界面結(jié)構(gòu) 有兩種類型（1） 光滑界面（小平面界面） （2）粗糙界面（非小平面界面） 第34頁/共69頁第33頁/共69頁（1 1）光滑界面 光滑界面：微觀看液固界面是光滑平整，兩相原子以界面截然分

19、開，如圖5-17（a）所示。這種界面通常都是晶體的密排面。宏觀看，界面呈曲折的臺(tái)階狀，是由一系列小平面組成的，每個(gè)小平面是平整光滑的，又稱為小平面界面。圖5-18（a）為光滑界面。一般亞金屬均有光滑界面。圖5-17 （a）光滑界面；（b）粗糙界面 第35頁/共69頁第34頁/共69頁（2 2）粗糙界面 粗糙界面：從原子尺度看，界面是不平整的，存在幾個(gè)原子厚的過渡層，液固兩相原子犬牙交錯(cuò)，難以準(zhǔn)確分辨液固界面的位置，如圖5-17（b）。但從宏觀看，過渡層很薄，反呈平整的界面。圖5-18（b）是實(shí)際拍攝的CBr4的液固界面，呈現(xiàn)平直完整的界面結(jié)構(gòu)，故又稱之為非小平面界面。一般純金屬的液固界面均為粗

20、糙界面。 圖5-18 （a）光滑界面；（b）粗糙界面 第36頁/共69頁第35頁/共69頁 2 2）微觀長大方式 （1） 粗糙界面的垂直長大垂直長大：粗糙界面上有近50%的位置空缺原子，液相原子可以連續(xù)地向界面空位上填充，使液固界面沿法線方向向液相中移動(dòng)，這種長大方式稱為垂直長大。圖5-19為垂直長大的示意圖。（2） 光滑界面的微觀長大方式光滑界面的微觀長大方式，可有二維晶核長大和依靠晶體缺陷長大兩種機(jī)制。 圖5-19 粗糙界面的垂直長大示意圖 圖5-20 光滑界面的二維晶核長大機(jī)制第37頁/共69頁第36頁/共69頁3. 3. 宏觀長大形態(tài) 晶核長大中液固界面的形態(tài)取決于界面前沿液體中的溫度

21、分布。 1）液體中的溫度分布一般有兩種溫度分布，即正溫度梯度 負(fù)溫度梯度（a）正溫度梯度； （b）負(fù)溫度梯度 第38頁/共69頁第37頁/共69頁2）晶體宏觀長大方式 （1） 平面方式長大 （2） 樹枝狀方式長大 （a）平面長大 （b）枝晶長大 第39頁/共69頁第38頁/共69頁4.4.晶體長大速度 晶體長大速度: 單位時(shí)間內(nèi)液固界面向液相中推進(jìn)的距離來表示（cm/s），不同界面結(jié)構(gòu)，不同長大方式，晶體長大速度是各不相同的。一般粗糙界面長大速度最快。對金屬而言過冷度愈大，長大速度愈快（見圖5-23（b）。對非金屬而言隨過冷度增大，長大速度也加快，但達(dá)到臨界值后，隨過冷度增大長大速 度 反 而

22、 變 慢 （ 見 圖 5 - 2 3（a），這顯然與原子擴(kuò)散能力不足有關(guān)。（a）非金屬（b）金屬 圖5-23 晶體長大速度G與過冷度T的關(guān)系 第40頁/共69頁第39頁/共69頁5.2.4 5.2.4 金屬鑄錠的組織 鑄錠組織可分為三區(qū)，即緊靠模壁的鑄錠外表面和底部的細(xì)晶區(qū)、垂直模壁表面生長的柱狀晶區(qū)和鑄錠心部的等軸晶區(qū)。下圖為鑄錠組織示意圖 。1細(xì)晶區(qū) 2柱狀晶區(qū) 3等軸晶區(qū) 鑄錠三區(qū)組織的形成：（1）表面細(xì)晶區(qū)（2）柱狀晶區(qū)（3）等軸晶區(qū)第41頁/共69頁第40頁/共69頁5.3 5.3 高聚物的固化 5.3.1 5.3.1 固化過程及特點(diǎn) 高聚物固化過程與金屬凝固過程相比具有完全不同的特

23、點(diǎn)。左圖為有結(jié)晶傾向的聚合物由熔點(diǎn)冷卻時(shí)，其比容與溫度的關(guān)系曲線。A.液態(tài)；B.液態(tài)（有某些彈性反應(yīng)）；C.過冷液體（橡膠態(tài)）；D.玻璃態(tài)ABCD、ABEF和ABG分別表示快冷、中等冷速和非常慢的冷速 第42頁/共69頁第41頁/共69頁高聚物固化特點(diǎn)圖5-26 5-26 熱塑性高聚物的結(jié)構(gòu)與溫度的關(guān)系 第43頁/共69頁第42頁/共69頁5.3.2 5.3.2 二次結(jié)晶與熱處理 二次結(jié)晶：是在一次結(jié)晶基本完成之后，在一些殘留的非晶區(qū)和晶體不完整部分，繼續(xù)進(jìn)行結(jié)晶和進(jìn)一步完整化的過程。后結(jié)晶現(xiàn)象:加工過程中一部分來不及結(jié)晶的區(qū)域在加工中發(fā)生繼續(xù)結(jié)晶的過程，二次結(jié)晶和后結(jié)晶都會(huì)使制品性能和尺寸發(fā)

24、生變化。 為了加速高聚物的二次結(jié)晶和后結(jié)晶過程，對高聚物尤其是其制品要進(jìn)行熱處理。第44頁/共69頁第43頁/共69頁5.4 5.4 材料固化理論的應(yīng)用 5.4.1 5.4.1 細(xì)化晶粒 5.4.2 5.4.2 液態(tài)急冷技術(shù) 5.4.3 5.4.3 單晶的制取 5.4.4 5.4.4 定向凝固 5.4.5 5.4.5 微重力（太空失重）條件下的 材料固化 第45頁/共69頁第44頁/共69頁5.4.1 5.4.1 細(xì)化晶粒 1. 細(xì)晶強(qiáng)化 固態(tài)晶體一般是由大量晶粒組成的多晶體。晶粒大小可用晶粒度表示，晶粒度號越大，晶粒越細(xì)（見下表）。晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)/（個(gè)mm-2）1632

25、6412825651210242048晶粒平均直徑/mm0.250 0.177 0.125 0.088 0.062 0.044 0.031 0.022第46頁/共69頁第45頁/共69頁細(xì)晶強(qiáng)化 (2)細(xì)小晶粒不僅能提高材料的強(qiáng)度、硬度，而且能提高材料的塑性和韌性，下表為晶粒大小對純鐵機(jī)械性能的影響 。 晶粒平均直徑/mm抗拉強(qiáng)度/（MNm-2）屈服強(qiáng)度/（MNm-2）延伸率/%9.71654028.87.01803830.62.52114439.50.202635748.80.162646550.70.1027811650.0工程上將通過細(xì)化晶粒以提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。 第47頁/

26、共69頁第46頁/共69頁2. 細(xì)化晶粒的措施（1）增大金屬的過冷度隨著過冷度的增大，形核率和長大速度都增大，但前者的增大更快，因而比值N/G也增大，結(jié)果使晶粒細(xì)化。增大過冷度的主要辦法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度，采用冷卻能力較強(qiáng)的模子。例如采用金屬型鑄模，比采用砂型鑄模獲得的鑄件晶粒要細(xì)小。 圖5-30 形核率N和長大速度G與過冷度的關(guān)系 第48頁/共69頁第47頁/共69頁細(xì)化晶粒的措施（續(xù)）（2）變質(zhì)處理變質(zhì)處理：在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以細(xì)化晶粒和改善組織。（3）振動(dòng)在金屬結(jié)晶的過程中采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)等方法，可以破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細(xì)小的晶

27、粒。（4）電磁攪拌將正在結(jié)晶的金屬置于一個(gè)交變的電磁場中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會(huì)翻滾起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加了結(jié)晶的核心，從而可細(xì)化晶粒。第49頁/共69頁第48頁/共69頁5.4.2 5.4.2 液態(tài)急冷技術(shù) 1. 液態(tài)急冷方法 圖5-31為離心霧化法工作原理示意圖。將熔化的金屬吹到高速旋轉(zhuǎn)的通水冷卻的銅盤上（轉(zhuǎn)速20000r/min），甩向四周的液體或固體又被高壓冷氣（氮、氦、氬等）吹成粉末。該法已用于金屬粉末的生產(chǎn)。圖圖5-31 5-31 離心霧化法示意圖離心霧化法示意圖 第50頁/共69頁第49頁/共69頁液態(tài)急冷方法 (2)圖5-32為壓延法工作原理示意圖。一

28、對加工精密的鈹青銅軋輥以3000 r/min -5000r/min的速度旋轉(zhuǎn)，將熔化的金屬液體以一定的壓力準(zhǔn)確地吹到兩輥之間，可以得到厚度為10m -100m的長薄帶（有的 薄 帶 可 長 達(dá) 數(shù) 百米）。 圖圖5-32 5-32 壓延法示意圖壓延法示意圖 第51頁/共69頁第50頁/共69頁液態(tài)急冷方法 (3)圖圖5-33 5-33 表面激光處理表面激光處理 利用高能量密度熱源，如大功率激光束或者電子束，使光束以極快速度掃過金屬表面，直接對表面加熱，則表面上的極薄層瞬間被熔化，接著又被金屬自身急速冷卻，其冷速可達(dá)到108K/s以上。這是一種很有前途的表面熱處理新工藝（圖5-33）。 第52頁

29、/共69頁第51頁/共69頁2.2.急冷凝固的組織結(jié)構(gòu) 急冷凝固是指液態(tài)金屬以105 K/s -1010K/s的冷卻速度進(jìn)行凝固的液態(tài)急冷技術(shù)。而一般冷卻速度不超過100K/s?？焖倌淌菇饘俚慕M織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化： (1) 形成過飽和固溶體 (2) 形成非平衡的結(jié)晶相一亞穩(wěn)相 (3) 形成非晶態(tài)合金第53頁/共69頁第52頁/共69頁3. 3. 液態(tài)急冷產(chǎn)物的性能與應(yīng)用 （1）耐腐蝕性（2）超導(dǎo)性液態(tài)急冷產(chǎn)物的超導(dǎo)特性正引起高度重視。如非晶態(tài)Te70Cu25Au5合金顯示出半導(dǎo)體性質(zhì)。超導(dǎo)合金Nb-Fe和V-Si用液態(tài)急冷法制成柔軟的金屬薄帶，這時(shí)超導(dǎo)性很弱，但將這種薄帶在900 F -125

30、0F退火，超導(dǎo)性能大大提高。這種工藝方法可以把超導(dǎo)體做成任何形狀，可能導(dǎo)致超導(dǎo)領(lǐng)域的更大進(jìn)展。非晶態(tài)合金具有特別高的抗輻射性能、特別高的抗拉強(qiáng)度（2100N/mm2）和硬度（約HB578），并且在短時(shí)內(nèi)可承受冷作壓延，故雖然它的Tc值（臨界超導(dǎo)溫度）目前還不高，但仍是人們很重視的材料。 第54頁/共69頁第53頁/共69頁液態(tài)急冷產(chǎn)物的性能與應(yīng)用（2)2)（3）成分均勻性下表給出四代葉片性能的比較。 性能第一代第二代第三代第四代制造方法精鑄等軸晶定向凝固柱狀晶單晶體急冷+粉末冶金柱狀晶工作溫度8009509701000推力/質(zhì)量1.01.92.22.8使用年代上世紀(jì)50年代現(xiàn)在仍在使用上世紀(jì)8

31、0年代上世紀(jì)90年代第55頁/共69頁第54頁/共69頁5.4.3 5.4.3 單晶的制取 制備單晶的基本要求是液體結(jié)晶時(shí)只存在一個(gè)晶核，要嚴(yán)格防止另外形核。單晶可用下列兩種方法制取。（a）尖端形核法 (b)垂直提拉法 第56頁/共69頁第55頁/共69頁5.4.4 5.4.4 定向凝固 定向凝固是通過單向散熱，使凝固從鑄件一端開始，沿陡峭的溫度梯度方向逐步發(fā)生，以獲取方向性柱狀晶和層片狀共晶的一種凝固技術(shù)。實(shí)現(xiàn)定向凝固的方法有下降功率法和快速逐步凝固法。（a）下降功率法；（b）快速逐步凝固法 第57頁/共69頁第56頁/共69頁定向凝固的應(yīng)用 因柱狀晶細(xì)密并具有各向異性的特點(diǎn)，沿晶柱方向具有

32、最佳的性能。所以利用定向凝固技術(shù)生產(chǎn)渦輪葉片，使柱狀晶的晶柱方向與葉片承受的最大載荷方向保持一致，可顯著地提高葉片的使用壽命。又如磁性鐵合金沿100方向具有最大導(dǎo)磁率，而柱狀晶晶軸也是100方向，所以可用定向凝固技術(shù)來制取磁性材料。第58頁/共69頁第57頁/共69頁5.4.5 5.4.5 微重力（太空失重）條件下的材料固化 1. 微重力（太空失重）下液態(tài)金屬的特點(diǎn)： （1）液態(tài)金屬中因重力引起的對流幾乎消失。 （2）液態(tài)金屬中由于不同物質(zhì)密度差引起的下沉、上浮以及分層偏析現(xiàn)象幾乎消失。 （3）液體表面張力和潤濕作用變得突出。 （4）可在高真空條件下凝固。在距地球表面500km的太空軌 道飛行

33、器上，真空度可達(dá)到1333.22-8Pa。在如此高真空下，可排除金屬材料中的氣體，制取高純度材料。 （5）可在液態(tài)急冷條件下凝固。在軌道飛行器的向陽一面有很高的溫度，而在其背陰面溫度極低（-200），由此可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的快速凝固。 第59頁/共69頁第58頁/共69頁2.2.微重力（太空失重）下的材料固化與加工(1)(1) （1）獲取非晶、微晶材料在空間微重力條件下，可實(shí)現(xiàn)無容器的懸浮熔煉，消除坩鍋壁對液態(tài)金屬的污染，避免非均勻形核，實(shí)現(xiàn)深過冷，獲得非晶、微晶材料。 （2）制備金屬基復(fù)合材料在太空失重條件下，可使金屬基體和加入的金屬氧化物等顆?；蚨汤w維均勻混合，如用TiC與鎳復(fù)合，其硬度可比地

34、面制作的高兩倍，強(qiáng)度由1.3GPa提高到4GPa。 第60頁/共69頁第59頁/共69頁微重力（太空失重）下的材料固化與加工(2)(2) （3）制備多孔泡沫材料在空間微重力條件下，在液態(tài)金屬中引入氣體或發(fā)泡物質(zhì)，在凝固過程中不易上浮。從而均勻分布在凝固后的金屬中。例如，在地面上向鋁合金液體中通入0.3 Pa -0.5Pa壓力的氫氣，快速凝固，然后在太空失重的條件下重熔并緩慢冷卻，結(jié)果在鋁合金中形成均勻的氣泡，其密度只有原來鋁合金的1/3。第61頁/共69頁第60頁/共69頁微重力（太空失重）下的材料固化與加工(3)(3)（4）新型材料加工工藝?yán)靡簯B(tài)金屬在微重力下的特殊性質(zhì)，可開發(fā)新型材料加工

35、工藝，制作出新型制品。 擴(kuò)展鑄造工藝將液態(tài)金屬送至特制的鑄型表面，通過液體的潤濕使其擴(kuò)展到鑄型的表面和彎曲處，待冷卻后，可在第一層金屬表面涂掛第二層金屬，由此可制作不同材料、任意形狀、任意層次、多層結(jié)構(gòu)的精密復(fù)合材料鑄件，這種鑄件具有耐磨、耐蝕等優(yōu)異的力學(xué)性能和物理化學(xué)性能。第62頁/共69頁第61頁/共69頁（4）新型材料加工工藝(續(xù)） 空間拉拔成型工藝在地面上生產(chǎn)金屬絲、金屬箔和金屬板材，通常需要軋制和拉拔工藝。在微重力條件下，利用液體金屬表面張力和內(nèi)聚力的特殊性質(zhì)，可把液體金屬直接拉制成細(xì)金屬絲或薄帶而不會(huì)拉斷。這些制品的組織均勻、厚度和直徑尺寸也很均勻，在功能元件方面有廣泛的用途。 空

36、間釬焊工藝在空間進(jìn)行的焊接實(shí)驗(yàn)表明，空間釬焊工藝遠(yuǎn)優(yōu)于地面，它具有異乎尋常的間隙充填能力，這與微重力條件下潤濕和毛細(xì)管現(xiàn)象的加劇有密切關(guān)系。 第63頁/共69頁第62頁/共69頁小結(jié) （1） 材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程統(tǒng)稱為固化。對金屬材料而言，該過程稱為凝固，由于固態(tài)金屬是晶體，故又把金屬的凝固過程稱為結(jié)晶。根據(jù)材料固化過程中其流動(dòng)性和其他物理性能變化的特點(diǎn)，有兩種不同的固化反應(yīng)，即第1類固化反應(yīng)和第2類固化反應(yīng)。不同材料所發(fā)生的固化反應(yīng)隨著固化條件不同可以改變。 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與固態(tài)金屬接近。液態(tài)金屬中存在著無數(shù)微小的有序、規(guī)則排列的原子集團(tuán)，形成結(jié)構(gòu)上的起伏，為金屬結(jié)晶提供了結(jié)構(gòu)條件。金

37、屬結(jié)晶過程實(shí)質(zhì)上是由不穩(wěn)定的具有近程有序排列原子集團(tuán)的液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的長程（遠(yuǎn)程）有序的晶體結(jié)構(gòu)的過程。第64頁/共69頁第63頁/共69頁小結(jié) （2） 液態(tài)金屬結(jié)晶存在過冷現(xiàn)象，實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差T = Tm - Tn 稱為過冷度。過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。結(jié)晶還需要滿足熱力學(xué)條件，當(dāng)TTm 時(shí)，液相和固相的自由焓差值G = Gs -GL0即為液相向固相轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力，也是結(jié)晶的熱力學(xué)條件。 在一定過冷度下的金屬結(jié)晶過程,包括形核和晶核長大兩個(gè)基本過程，是不斷形核不斷長大的過程。結(jié)晶后的固態(tài)金屬一般由等軸晶粒所組成的多晶體金屬。第65頁/共69頁第64頁/共69頁小結(jié) （3） 金屬結(jié)晶時(shí)的形核有均勻形核和非均勻形核兩種方式。均勻形核需要一定的尺寸條件（結(jié)構(gòu)條件）和能量條件，而這些條件均與過冷度有關(guān)。rr*的原子集團(tuán)不能在液相中穩(wěn)定存在，只能溶解而消失，而rr*的原子