快速凝固
什么是快速凝固？请说明实现快速凝固的基本条件、满足快速凝固条件的途径以及快速凝固的特点。
答：快速凝固，是指在比常规工艺过程快得多的冷却速率下，合金以极快的速率从液态转变为固态的过程。快速凝固的实质是使受冷合金在一个方向上传热迅速，因而用这些方法做出的材料，均是薄片或细粉。
金属材料快速凝固技术主要包括用于试验研究的液态金属快速冷淬技术和连续生产用的工业快速凝固技术。
实现快速凝固的两个基本条件是：
（1）金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，以便散热；
（2）必须有能带走热量的冷却介质。
满足上述条件的途径各有三条：熔液可分散成细小液滴、接近圆形断面的细流或极薄的矩形断面液流；散热冷却可借助于气体、液体或固体表面。几乎所有实际的快速凝固工艺都遵循这些途径。图2给出了它们之间的组合，以构成快速凝固生产工艺。其中七种组合是切实可行的工艺。只有薄带状液流与液体和气体冷却介质的组合没有成功，因为在快速流动的流体中要使液流保持矩形断面是极其困难的。
图2快速凝固基本工艺中金属液流和冷却介质间的组合
快速凝固工艺：1.雾化快凝固速度法（RSR）；旋转电极法（REP）。
2.水雾化快速旋转杯法（RSC）。
3.杜瓦兹枪、柱塞/铁砧、鼓喷溅、
电子束喷溅淬冷、控制喷雾沉积（CSD）、喷雾沉积、奥斯普雷（Osprey）。
4.泰勒丝、自由飞行熔液自旋（FFMS）。
5.FFMS、旋转水纺丝。
6.熔液提取、
垂直滴落熔液提取。7.熔液自旋、平面流铸、熔液拖拽、熔液溢流从快速凝固的原理来讲，实现快速凝固的大致有三种基本途径。
1、凝固前施以深度过冷
这种途径是在液态金属凝固以前，温度就下降到低于固相线较多的水平，然后才发生金属的凝固过程。在金属凝固的过程中，要放出潜热，该潜热又要加热凝固中的金属，凝固中金属的温度上升，但不会超过固相线的水平。也可以这么说，凝固潜热完全为凝固中的金属所吸收，不向外界传播，而凝固也快速完成。为达到这种途径快速凝固的目的，开始必须把金属过冷到足够的程度，以致使凝固放热能得到抵消。原则上过冷和凝固金属的体积并没有多大关系，然而实际上，体积大了，冷却工艺进行得就较慢。实践中最大的限制问题是很难做到大型凝固件中没有杂质存在。杂质能起到晶核的作用，从而使过冷的程度受到限制。
2、高拉速连续凝固
在连续凝固过程中，若凝固件截面足够小，则可对其施以高拉速。在这种情况下，凝固件内的凝固前沿不能以平面形状出现，而是形成一个坑状凝固面（如图1）。在拉速为v1时，凝固过程的冷却主要是通过径向散热，而在拉速为v3的情况下，则还会有纵向传热的过程发生。凝固速度由传热过程所控制，而不是由拉速所控制。对于一个几毫米的截面，为达到传热控制的工作制度，最高拉速也就是每秒几毫米，大概这也就是此途径效率的上限了。
图1拉速对凝固前沿形状和速度R的影响
（v1 3、快速冷却凝固 快速冷却凝固的原理是快速将热量从液相传向环境，使凝固前沿的速度R 达到很高的值。采用间接过冷的办法也可得到相同的效果，即在先有过冷的情况下，在凝固物体回温过程的同时，快速冷却促进凝固过程迅速进展。这一原理与以上两点有区别，它的特点是在凝固前，凝固过程中和凝固以后，冷却速度均很快。因此快速凝固所形成的显微组织和组成特征就能得以保持，也就是说，这一办法能充分发挥快速凝固的效果。事实上这一途径综合了快速凝固和快速冷淬两者的特点，可以对众多的合金进行处理。因而得到了广泛的应用。 比起一般凝固过程，快速凝固技术在工艺和材料两个方面都具有很大的吸引力，主要表现在以下三个方面。 （1）扩展合金中溶质的溶解度，引起能分别形成过饱和固溶体、非平衡晶体及非晶体等结果。 （2）均匀和细化合金微观组织，在很大程度上消除金属制品，特别是大断面制品中的偏析现象，使之更易于热处理和加工，使用寿命相应延长，甚至使原来只能用于铸态而不能加工的金属制品变成可锻或超塑性的。 （3）使金属制品更加接近最终形状或直接成型。这样就可节省大量的成型工序的花费，如减少压力加工量、金属切削量，减少返回金属量等。可降低生产成品。 快速凝固技术的研究进展 摘要：快速凝固技术是当材料科学与工程中研究比较活跃的领域之一，目前已成为一种金属材料潜在性能与开发新材料的重要手段。快速凝固技术得到的合金与常规合金有着不同的组织和结构特征，对材料科学和其它学科的理论研究以及开展实际生产应用起了重要的作用。介绍了快速凝固技术的原理和特点、主要方法和在实际中的应用和存在的问题。 关键词：快速凝固技术；合金；应用；存在问题 1 引言 随着对金属凝固技术的重视和深入研究，形成了许多种控制凝固组织的方法，其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段，同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域[1]。过去常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大，偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高凝固速度，因此出现了快速凝固技术。 目前，快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。 2 快速凝固技术 1960年美国的Duwez等用铜辊快淬法，首次使液态合金在大于107K/S的冷却速度下凝固，在Cu—Si合金中发现了无限固溶的连续固溶体；在Ag—Ge合金中出现新的亚稳相；在Au—Si合金中形成非晶结构。在快速冷却所形成的亚稳结晶组织中，出现了一系列前所未见的重要的结构特征，表现出各种各样比常规合金优异的使用性能[2]。此后，快速凝固技术和理论得到迅速发展，成为材料科学与工程研究的一个热点。 快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104～106 K/s)或非均质形核被遏制，使合金在很大过冷度下，发生高生长速率(≥1～100 cm/s)凝固[3]。通过快速凝固技术获取的粉末和材料会具有特殊的性能和用途。由于它是一种非平衡的凝固过程[4]，详细的说就是凝固过程中的快冷、起始形核过冷度大，生长速率高，促使固液界面偏离平衡，生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，从 什么是快速凝固？请说明实现快速凝固的基本条件、满足快速凝固条件的途径以及快速凝固的特点。 答：快速凝固，是指在比常规工艺过程快得多的冷却速率下，合金以极快的速率从液态转变为固态的过程。快速凝固的实质是使受冷合金在一个方向上传热迅速，因而用这些方法做出的材料，均是薄片或细粉。 金属材料快速凝固技术主要包括用于试验研究的液态金属快速冷淬技术和连续生产用的工业快速凝固技术。 实现快速凝固的两个基本条件是： （1）金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，以便散热； （2）必须有能带走热量的冷却介质。 满足上述条件的途径各有三条：熔液可分散成细小液滴、接近圆形断面的细流或极薄的矩形断面液流；散热冷却可借助于气体、液体或固体表面。几乎所有实际的快速凝固工艺都遵循这些途径。图2给出了它们之间的组合，以构成快速凝固生产工艺。其中七种组合是切实可行的工艺。只有薄带状液流与液体和气体冷却介质的组合没有成功，因为在快速流动的流体中要使液流保持矩形断面是极其困难的。 图2快速凝固基本工艺中金属液流和冷却介质间的组合 快速凝固工艺：1.雾化快凝固速度法（RSR）；旋转电极法（REP）。 2.水雾化快速旋转杯法（RSC）。 3.杜瓦兹枪、柱塞/铁砧、鼓喷溅、 电子束喷溅淬冷、控制喷雾沉积（CSD）、喷雾沉积、奥斯普雷（Osprey）。 4.泰勒丝、自由飞行熔液自旋（FFMS）。 5.FFMS、旋转水纺丝。 6.熔液提取、 垂直滴落熔液提取。7.熔液自旋、平面流铸、熔液拖拽、熔液溢流从快速凝固的原理来讲，实现快速凝固的大致有三种基本途径。 1、凝固前施以深度过冷 这种途径是在液态金属凝固以前，温度就下降到低于固相线较多的水平，然后才发生金属的凝固过程。在金属凝固的过程中，要放出潜热，该潜热又要加热凝固中的金属，凝固中金属的温度上升，但不会超过固相线的水平。也可以这么说，凝固潜热完全为凝固中的金属所吸收，不向外界传播，而凝固也快速完成。为达到这种途径快速凝固的目的，开始必须把金属过冷到足够的程度，以致使凝固放热能得到抵消。原则上过冷和凝固金属的体积并没有多大关系，然而实际上，体积大了，冷却工艺进行得就较慢。实践中最大的限制问题是很难做到大型凝固件中没有杂质存在。杂质能起到晶核的作用，从而使过冷的程度受到限制。 2、高拉速连续凝固 金属凝固理论复习资料 一、名词解释 1.能量起伏：金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子 的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏” 2.结构起伏：液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态，时而长大时而变小，时而产生 时而消失，此起彼落，犹如在不停顿地游动。这种结构的瞬息变化称为结构起伏。 3.浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。这种 成分的不均匀性称为浓度起伏。 4.熔化潜热:将金属加热到至熔点时，金属体积突然膨胀，等于固态金属从热力学温度零 度加热到熔点的总膨胀量，金属的其他性质如电阻，粘性等发生突变，吸收的热能。 5.充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰的铸件的能力。 6.成分过冷：由溶质再分配导致的界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过 冷。 7.热过冷：仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷 8.宏观偏析：又称长程偏析或区域偏析，指较大范围内的化学成分不均匀现象，表现为铸 件各部位之间化学成分的差异。 9.微观偏析：微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位 置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。 10.微观偏析 （1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。 （2）晶界偏析：溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现差异。它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。 11.宏观偏析： （1）正常偏析：当合金溶质分配系数k<1时，凝固界面的液相中将有一部分被排出，随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高，当k>1时相反。正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。 （2）逆偏析：即k<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部分含溶质较少。 （3）V形偏析和逆V形偏析：常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析中含有较高的碳以及硫和磷等杂质。 （4）带状偏析：它总是和凝固的固-液界面相平行。 （5）重力偏析：由于重力的作用而出现化学成分不均匀的现象，常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。 枝晶偏析：由于固溶体合金多按枝晶方式生长，分支本身分支与分支间的成分是不均匀的，故称为~。 12.正偏析：指溶质含量高于其平均溶质含量的区域 13.负偏析：降低该区的溶质浓度，使该区C5降低，产生的偏析。（溶质含量低于其平均溶 质含量的区域） 14.重力偏析：由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析和固液相之间或互不相容的液相 之间有的密度不同，在凝固过程中发生沉浮现象造成的。 15.过热度：指金属熔点与液态金属温度之差。 16.过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度 1. 晶体是指原子呈规则排列的固体 2. 非晶体是指原子呈无序排列的固体 3. 晶格是用假象的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间结构 4. 直线的交点（原子中心）称为结点，由结晶器形成的空间点阵列称为空间点阵 5. 晶型：能代表晶格原子排列规律的最小集合单元，常见金属晶格类型有：体心立方，面心立方，，密排六方晶格 6. 单晶体：其内部晶格完全一致的晶体 7. 晶粒: 实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同的，外形不规则的小晶体组成，这些小晶体即称为晶粒，晶格的不完整部位导致内晶体缺陷（结晶物质在生长过程中，由于受到外界空间的限制，未能发育成具有规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状，称晶粒。） 8. 晶界的特点：原子排列不规则；熔点低；耐蚀性差；易产生内吸附，外来原子易在晶界上产生偏聚；阻碍位错运动，是强化部位，故而实际使用的金属力求获得细晶粒；是相变的优先到形核部位 9. 合金，是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质； 10. 相：是指金属或合金中凡成分相同，结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分 11. 显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态，数量，大小和分部组合 12. 冷却曲线:是指金属结晶是温度与时间的关系曲线。其中水平段是结晶时由于所放出的结晶潜热所造成的，为实际结晶温度，液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称为过冷；其次理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度 13. 晶核的形成方式：均匀形核和非均匀形核；其中由液态中排列规则的原子团形成晶核称为均匀形核；以液态中存在的固态杂质形核称为非均匀形核 14. 晶核的长大方式有两种：均匀长大和树枝状长大 15. 晶坯：液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，他们时聚时散，称为晶坯 16. 晶核：在理论温度以下，经过一段时间后一些大小尺寸的晶坯将会长大，称为晶核 17. 枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个经理范围内形成成分不均匀的现象 18. 连铸坯凝固结构：表皮细小等轴晶；柱状晶区；中心等轴晶区 19. 形核率：单位时间，单位体积内形成的晶核数 20. 长大速度：单位时间内晶核生长的长度 21. 偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象叫做偏析 22. 宏观偏析：沿一定方向，结晶过程中，由于结晶先后不同，造成凝固后的铸件内产生宏观成分不均匀的现象叫做宏观偏析。 23. 连铸较模铸的优点：能提高综合成材率；降低能耗；易实现机械化，自动化；比较节省劳动力 24. 对结晶器的要求：良好的导热性； 25. 结晶器的震动方式：同步振动，特点是结晶器在下降时与铸坯同步运动然后再以三倍拉速的速度上升 26. 结晶器保护渣的作用：使结晶器内钢水上表面与空气隔绝；吸收钢水中的夹杂物；控制坯壳与结晶器壁间的传热；润滑 27. 连铸机可分为三个传热冷却区：一冷却区：钢水在水冷结晶器中形成足够厚度均匀的坯壳，以保证铸坯出结晶器时不拉漏；二冷却区：喷水一加速连铸坯内部热量的传递，使铸坯完全凝固；三冷却区：铸坯向空气中辐射传热使铸坯内外温度均匀化 28. 铸坯的液相长度也称为液相穴深度，是指铸坯从结晶器钢液面开始到铸坯中心液相完全 快速凝固技术国内外发展及其应用 1.快速凝固技术国内外发展 随着对金属凝固技术的重视和深入研究,形成了许多种控制凝固组织的方法,其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段,同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。 快速凝固的概念和技术源于20世纪60年代初Duwez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，更进一步生成非晶体。上述结果稍后被许多研究结果所证实，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。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。快速凝固技术是目前冶金工艺和金属材料专业的重要领域，也是研究开发新材料手段。 快速凝固一般指以大于 5 10 ～ 6 10 K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的 凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。由于凝固过程的快冷、起始形核过冷度大,生长速率高,使固液界面偏离平衡,因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。加快冷却速度和凝固速率所起的组织及结构特征可以近似地用图1来表示。从上图我们不难看出，随着冷却速度的加快，材料的组织及结构发生着显著的变化，可以肯定地说，它也将带来性能上的显著变化[1]。 快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。实现快速凝固的三种途径包括：动力学急冷法；热力学深过冷法；快速定向凝固法。由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。 1.1快速凝固技术的主要方法 (1)动力学急冷快速凝固技术 动力学急冷快速凝固技术简称熔体急冷技术，其原理可以概括为：设法减小同一时刻凝固的熔体体积与其散热表面积之比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以 1.解释概念 成份过冷，有效分配系数，宏观偏析 2.杠杆定律的意义及适用条件。 3.两相平衡时，如何确定平衡相的成份，为什么？ 4.根据公切线法则，画出共晶温度时各相自由焓—成份曲线示意图。 5.合金结晶与纯金属有何不同？ 6.铜和镍固态完全互溶，它们的熔点分别是T Cu＝1083℃，T Ni=1452℃,问Ni－10%Cu及 Ni－50%Cu两种合金在浇铸和凝固条件相同的条件下，哪种合金形成柱状晶的倾向大？哪种合金的枝晶偏析严重？为什么？ 7.画图并说明共晶成分的Al-Si合金在快冷条件下得到亚共晶组织α＋（α＋Si）的原因。 8.画出Pb－Sn相图，求： l分析过共晶合金80%Sn的平衡结晶过程（写出反应式）、画出冷却曲线及组织示意图、写出结晶后的室温组织。 l求室温组织中组织组成物的相对重量、共晶组织中的共晶α及共晶β的相对重量。 l求室温组织中组成相的相对重量。 9.填空 l固溶体合金，在铸造条件下，容易产生___偏析，用___ 方法处理可以消除。 l Al－CuAl2共晶属于__ 型共晶，Al-Si共晶属于__型共晶，Pb－Sn共晶属于__型共晶。 l固溶体合金凝固时有效分配系数ke的定义是__。当凝固速率无限缓慢时，ke趋于__； 当凝固速率很大时，则ke趋于__ 。 l K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____ , 提纯效果越_____；而K0>1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越____ , 提纯效果越_____。 l固溶体合金_____ 凝固时成分最均匀，液相完全混合时固溶体成分偏析（宏观偏析）最___ ，液相完全无混合时固溶体成分偏析最____ ，液相部分混合时固溶体成分偏析_________。 10.试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时一般呈树枝状方式长大，而纯金属却 得不到树枝状晶体？ 11.根据所示的Al-Si共晶相图，试分析下列（a,b,c）三个金相组织属什么成分并说明理由。指出细化 此合金铸态组织的可能用途。 12.指出相图错误，并加以改正。 快速凝固铝合金的组织与性能摘要：速凝固技术；过去对凝固过程的模拟只考虑在熔融状态下的热传导和凝固过程中潜热的释放，很少考虑金属熔体在型腔内必然存在的流动以及金属熔 体在凝固过程中存在的流动，目前，快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的 技术一开始研究合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能到符合 实际生活，生产要求的合金着重研究高的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术正在走向逐步完善阶段。 快速凝固原理及凝固组织：快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却（≥104-106k/s）或非均质形核备遏制，是合金在很大过冷度下，发生高生长速率（≥1-100cm/s）凝固。由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高是古冶界面偏离平衡，因而呈现出一系列于常规合金不同的组织和结构特征，加快冷却速度和凝固速率所应起的组织及结构特征可以近似用表来表示。 本实验利用真空系统下的金属熔液快速凝固装置，获得高真空后，充入一定压力的惰性气体，熔炼铝合金在熔融状态下以细直径金属液柱方式喷射到铜模具中，液流发生横向铺展并在纯铜模具中快速凝固。由于整个过程的浇注时间在很大程度上被分散、延迟，热耗散可以快速、充分进行，从而可获得层状铝合金。关键词：铜模具；射流沉积；亚稳块体材料；层状复合材料 The Study on the Aluminum Alloy by Rapid Solidification Based on Reciprocate Motion Cooling Model Abstract:Rapid solidification is the way to get the non-steady state metal by the rapid cooling much more fast than the cooling rate for the equilibrium materials, and amorphous, nano-crystalline and some limiting structural or functional materials can be obtained. In this work, jet solidification in the cooling model with the computer controlled reciprocating motion protected under vacuum or inert gas was used to obtain the layer Al alloys. After the Al alloy was molten in a quartz tube, the alloy liquid was jet out of 快速凝固技术 摘要：快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段, 同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放，不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。 快速凝固技术一般指以大于105K/s-106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非 平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的 性能和用途。快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金 不同的组织和结构特征。 关键词：快速凝固理论研究组织特征快速凝固方法 引言：随着科学技术的发展，对金属凝固技术的重视和深入研究, 形成了许多种控制凝固组织的方法, 其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段, 同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放, 不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。 一凝固过程理论研究 凝固过程中固液界面形态稳定性理论 成分过冷理论 成分过冷理论起源于凝固过程中溶质原子在固液界面上的富集。这种富集的结果是在距固液界面前沿的液相中不同的距离内具有不同的溶质浓度，可由式 表示。式中C 为浓度；R 为生长速度；D为溶质扩散系数；z 为距固液界面的 距离。Chalmers 等人在假设液相中无对流时，解上式得液相中溶质浓度分布为C L = C 0[1+() ]式中CL 为液相中溶质浓度；C 为原始浓度；k0为溶质平衡分配系 数。在有对流情况下，Burtou 等人得到液相中溶质浓度分布为 快速凝固技术 摘要 本文主要通过对快速凝固的发展及现象分析了快速凝固的一些基本原理，阐述了快速凝固的实现途径及快速凝固的一些方法，然后从快速凝固的原理出分，简单介绍了凝固技术在非晶制备过程中的应用。 关键字：快速凝固非晶合金凝固原理 1.引言 在金属凝固过程中，凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而重要的影响。快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。快速凝固是通过合金熔体的快速冷却（≥104~106KS-）或非均匀形核被遏制，是合金在大的过冷度下发 生高生长速率的凝固。采用快速凝固技术制备快速凝固微晶，准晶，非晶等非平衡亚稳新型结构及功能材料，是提高传统金属材料性能，挖掘现存材料性能潜力和研究开发高性能新材料的重要手段之一。利用快速冷却的技术不仅可以显著改善合金的微观组织，提高其性能，而且可以言之在常规铸造条件下无法获得的具有优异性能的新型合金。 2.快速凝固简述 快速冷却技术起源于1960年Duwez教授采用独特的急冷急速使金属凝固速度道道106K/s 而制备出的Au75Si25非晶合金薄带。他们的发现，在世界的物 理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的广阔的研究领域。在快速凝固条件下， 凝固过程的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。经典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应，成为凝固过程研究的一个特殊领域。进入70年代，非晶态材料领域的研究更为活跃，可制备出连续的等截面长薄带技术得到了发展，金属玻璃（Metagla）非同寻常的软磁性（高饱和磁化强度、非常低的矫顽磁性、零磁颈缩和高电阻率），促进了该领域的研究，同时也推动了这些新型磁性材料（尤其是变压器磁芯材料）的应用和发展； 80年代，可制备Φ300、Φ200管；90年代，可制备Φ600，长1M的管、坯。 在凝固过程中获得足够高的冷却速度需满足两个重要条件，首先，在理想冷却过程中，凝固冷速T与截面厚度Z（mm）有以下关系：T＝104Z－2表明凝固冷速与截面Z的二次方成反比。因此，熔化金属必须以至少在一维方向上足够小的流速形式输送，使之具有高比表面积，以利于热量迅速散失。其次，通过增大液态合金表面积，以最大程度地增加熔体与冷却介质的接触来迅速散热，这可以在加工过程中通过改变熔体形状（如将熔体铺展在基底上形成薄膜），或将熔体分散成小液滴（如雾化）来实现。目前实现快速凝固的途径主要有2条：第一，急冷快速凝固技术。利用对流促进热传导和利用与金属接触促进热传导，通过急冷抑制形核，达到动力学过冷的瞬态过程，制备出薄带、细丝或粉状的低维材料；急冷技术的关键是提高凝固过程中熔体的冷却速度，因此在减少单位时间内金属凝固过程时产生的熔化潜热的同时还需要提高凝固过程的传热速度。急速快冷凝固技术可分为模冷技术（该技术是使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热而实现快速凝固。其主要特点是首先把熔体分离成连续或不连续的、界面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与旋转或固定的、导热良好的冷模或基底 2012年凝固原理 考试题型（分数是预估的） 名词解释15’ 简答25’ 公式推导25’ 计算35’ 一、绪论（基本不考） 二、基础概念（名词解释，简答） 凝固组织三晶区；溶质再分配 1铸锭的典型凝固组织结构特征是什么？如何改变不同结构组织之间的比例？ 三晶区，各个影响因素 2冷却速率是由哪些因素决定的？体散热和一维方向散热最终产生什么样的组织？（应该不考） 散热的那张PPT 3合金的结晶温度和哪些因素有关系？ 结晶温度那张PPT 4什么是溶质再分配？从热力学上和统计学上如何解释? 溶质再分配：浓度均匀的合金液在凝固过程中固相浓度与液相浓度处于平衡但浓度不同的现象。需要记忆，如果是简单题的话，热力学和统计学上的解释也要知道，PPT上有的5平衡分配系数？有效分配系数？非平衡分配有效系数？ 溶质再分配中介绍的，K0=Cs/C L 及这章节的最后一张PPT上平衡凝固分配系数，有效凝固分配系数，非平衡凝固分配系数。 三、形核和界面结构（名词解释，简答，公式推导） 形核的热力学条件，过冷度（理解，公式推导）；界面结构与生长机制（概念理解） 1 推导均质形核过程中临界形核半径和临界形核功的表达式 可能会出推导题，原来金属学上有学过，现在再练习一遍吧。 2 试证明在同样过冷度下均匀形核时,球形晶核较立方晶核更易形成 ΔG=－ΔG v V+σLS S 在相同体积的情况下，球形晶核的表面积要小于立方晶核。 3 液固界面的微观结构和宏观结构是如何分类的？（这题需要理解记忆） 界面微观（原子尺度）结构：假定在一界面上，该面上有N个位置，这些位置上占满了原子，有属晶体的，如果有近50%的原子属于晶体，近50%的原子属于液相，称为粗糙界面；如果有近0%或100％的原子属于晶体，称为光滑界面； 快速凝固技术在钛合金材料中的应用和发展趋势 摘要介绍了快速凝固技术的技术特点及性能特征，综述了惰性气体雾化法、喷射沉积法、激光表面重熔快速凝固法、等方法工艺制备钛合金。最后总述了快速凝固技术在铝合金中应用存在的不足和发展前景。 关键词:快速凝固；钛合金；性能 快速凝固技术自1960年由美国加州理工学院的杜韦(Duwez)等开创以来，由于能极大地改善某些材料的组织和性能，得到了迅速发展。目前，在多种铝合金、钛合金、镁合金以至多种铁、镍基合金等方面都先后引入了快速凝固技术，它已经成为研制本世纪各个工业和技术部门急需的新型合金材料的一项重要技术[1]。 快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(103~106 K/s)或非均质形核被抑制,使合金在很大的过冷度下发生高生长速率( 1~100 cm/s) 的凝固。快速非平衡凝固通过控制凝固过程对平衡偏离的程度所产生的非平衡效应,不仅可以减小偏析、扩大亚稳固溶度、细化组织、形成新的亚稳相,还发展了非晶、准晶、纳米晶新材料[2]。基于快速凝固材料这些特殊的性质和优点,研究钛合金快速凝固技术就显得十分必要。 1、快速凝固钛合金的性能与作用 由于钛合金本身的限制,加之国内外对钛合金研究相对较晚, 其快速凝固技术的应用比其他合金较为落后。但通过多年的研究探索, 许多国内外学者已成功的将快速凝固技术应用于钛合金生产,丰富了钛合金的生产工艺, 改善了钛合金产品的性能。钛及钛合金的研究及快速凝固有如下作用[3]：(1)细化β晶粒( 2)改善合金组织试验过程中发现,快速凝固的Ti-6%Al-4%V合金经高温退火后,片状α聚集体发生等轴化,这种组织形态上的变化将大大改善合金的低周疲劳性能； (3)减少或消除偏析改善力学性能目前快速凝固技术在钛合金的主要应用是: ①利用激光技术进行材料表面改性及合金化；②利用快速凝固技术制取合金粉末；③利用快速凝固技术制取低维合金；④利用喷射成形技术制备大尺寸快凝材料及复合材料。 2、快速凝固钛合金材料制备工艺 钛具有很强的活泼性,与传统方法相比较,钛的快速凝固技术需 要做一些改进,如加设真空装置、惰性气体保护装置等。可用于钛和钛合金的快速凝固技术有:惰性气体雾化法、旋转电极法、双活塞法、喷射沉积法、激光表面重熔快速凝固法、超声雾化法、锤砧法、单辊和双辊快速凝固法等[4]。 2.1 雾化法制取钛及钛合金粉末 粉末材料是制造高温合金烧结制件、复合材料及机械合金化的基础材料,获得优质廉价的粉末是发展高性能钛粉末冶金的关键。近几十年来,发展了许多低氧球形钛合金粉末的制取方法[5-6],如气体雾化法,等离子旋转电极法( PREP) 、电子束旋转盘法(EBRD) 、激光旋转雾化法(LSA)等。 (1)超声气体雾化法超声气体雾化法是高速气流以80~100 kHz的频 凝固理论进展与快速凝固 摘要：本文综述了凝固理论的某些新进展，对高生长速率下的凝固热力学与形核、生长动力学，特别是非平衡溶质分配系数，形核孕育期与相选择，化学成分及熔体热历史对形核机制的影晌，平界面的绝对稳定性，快速的枝晶/胞晶生长以及样品体积内快凝过程的发展等问题给出了定量的表述，文中还指出了对快凝过程进行分析和设计的工作步骤。 关健词：快速凝固，热力学，动力学，形核，晶体生长，相选择 0 前言 在近几十年中，凝固技术的重要进展有：连续铸造的扩大应用；定向凝固与单晶生长技术的完善；半固态(流变)铸造从研究走向了实际应用；通过凝固过程制备重要的新型材料，如复合材料、自生复合材料、梯度材料等；快速凝固技术的出现与应用。快速凝固是通过合金熔体的快速冷却（≥104-106K/s）或非均质形核的被遏制，使合金在很大的过冷度下发生高生长速率（≥1-100cm/s）的凝固，可制备非晶、准晶、微晶和纳米晶合金，此类新型功能或结构材料正在逐步进人工业应用。可见，现代凝固技术的发展不仅致力于获得外形完美、内无宏观缺陷的零件，而且追求在材料中形成常规工艺条件下不可能出现的结构与显微组织特征，使其具备一系列特殊优异的使用性能。从这个意义上说，新凝固技术与新材料的研究和发展已融为一体，最具代表性的例子是快速凝固技术，它的出现和发展直接促进了新一代金属玻璃与微晶、纳米晶合金的形成。 现代凝固技术的研究与应用，迫切要求以液/固相变理论的新成果为指导。在研究对象的尺度上，不局限于宏观的凝固过程的研究，而是要在原子尺度上对移动的液/固界面的行为进行分析。与凝固技术的发展相适应，近年来凝固理论的研究在下列方面取得进展：从传热、传质和固/液界面动力学三个方面对凝固动力学过程给出了不断改进的定量描述；固/液界面形态稳定性理论继续完善，可在低速生长至高速生长的较宽范围内，全面估计界面能、界面曲率、结晶潜热等对晶体形貌及显微结构的影响，提供晶体形态转变的定量判据；大过冷和高生长速率下的凝固热力学和动力学研究不断深入，为合金快速凝固过程的分析和设计提供了依据。 本文将概略介绍近年来凝固理论的某些研究成果；对快速凝固条件下的热力学和形核、生长动力学，以及相选择和显微结构的形成等问题给出定量的表述，以便更有效地对合金的快速凝固过程进行分析、设计和控制。 快速凝固技术的应用研究 摘要：快速凝固技术是近年来得到广泛发展和应用的新型材料的制备技术，其特点是具有较高的冷却速率和明显的非平衡效应，本文讨论了快速凝固技术原理、快速凝固实现方法及其在金属材料中的应用。 关键词：快速凝固；应用 采用快速凝固技术制备快速凝固微晶、准晶、非晶等非平衡亚稳新型结构及功能材料，是提高传统金属材料性能、挖掘现存材料性能潜力和研究开发高性能新材料的重要手段之一，快速凝固非平衡材料技术及快速凝固理论研究是当今材料科学与工程及凝聚态物理国际前沿重要热点研究领域之一[1]。 1 快速凝固技术概述 快速凝固技术一般指以大于105K/s~106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途[2]。快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。实现快速凝固的3种途径包括：动力学急冷法；热力学深过冷法；快速定向凝固法。由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征[3]。 快速凝固材料的主要组织特征： （1）细化凝固组织，使晶粒细化。结晶过程是一个不断形核和晶核不断长大的过程。随凝固速度增加和过冷度加深，可能萌生出更多的晶核，而生长的时间极短，致使某些合金的晶粒度可细化到0.1μm以下。 （2）减小偏析。很多快速凝固合金仍为树枝晶结构，但枝晶臂间距可能有0.25μm。在某些合金中可能发生平面型凝固，从而获得完全均匀的显微结构。 （3）扩大固溶极限。过饱和固溶快速凝固可显著扩大溶质元素的固溶极限。因此既可以通过保持高度过饱和固溶以增加固溶强化作用，也可以使固溶元素随后析出，提高其沉淀强化作用。 （4）快速凝固可导致非平衡相结构产生。包括新相和扩大已有的亚稳相范围。 高压作用下合金凝固的研究进展 摘要：综述了高压作用下合金凝固的研究现状，重点介绍高压作用下晶粒形核、长大模型、溶质扩散等理论模型，以及高压在材料制备中的应用，最后对高压作用下的合金凝固过程的研究进行了评价与展望。 关键词：合金；凝固；高压；理论模型 0引言 金属凝固过程直接决定凝固组织的大小、分布及相组成，进而决定了铸件的各种性能。优质铸件的获得，必须对凝固过程加以控制，这一领域的研究长期以来一直是材料工作者关注的热点领域。为了控制金属凝固过程，传统的方法是通过调节温度参数来改变凝固组织，而对于影响凝固过程的另一个热力学参数——压力，通常忽略它的作用。其实，压力作为凝固过程参数空间中的一维，往往对凝固过程的发生及进程产生重大影响，甚至可以改变常规条件下的相变顺序，从而有利于一些新相或新材料结构的生成[1,2]。与常规挤压铸造研究不同的是，高压作用下的金属凝固过程突破了常规挤压铸造的压力范围(小于几百兆帕)，其压力可高达10～100GPa ，在如此高的压力作用下，凝固过程的热力学参数、动力学参数都随压力而改变，从而影响了凝固过程[3,4]。与快速凝固、微重力、电场、磁场作用下的凝固相同，高压作用下的凝固也属特殊条件下的凝固研究范围，本文将这一领域的研究现状进行介绍，并对未来的发展加以展望[5-10]。 l 高压作用下合金凝固机理 在常压作用下的金属凝固过程中，起主导作用的参数是熔体温度，此时压力对凝固动力学和热力学参数产生的影响可以不计，但在高压条件下，由于压力与温度变得同等重要，压力变成一个不可忽略的因素。 压力通过影响凝固动力学参数、热力学参数，最终改变了微观组织演变机制，从而丰富了凝固理论的研究范围。 1.1 高压对熔体粘度、熔点的影响 高压作用会对熔体中原子的运动产生重要影响，从而改变熔体的粘度，通常压力P 与熔体粘度之间满足下面的关系[11]： KT PVN E )(0exp +=ηη (1) 式中： 0η为常压下的粘度系数，E 为粘滞流变激活能，V 为熔体体积，K 为玻尔兹曼常量，N 为阿伏加德罗常数，T 为绝对温度，P 为作用在熔体上的压力。 式(1)表明，熔体的粘度系数随压力升高而增加，使得金属原子的自由行程受到限制。将描述液一气的克拉珀龙引入到高压作用下的固一液转变过程，可以得到： H V T dP dT m m ??= (2) 式中： m T 为物质的熔点，V ?为熔化时体积的变化，H ?为热焓，压力改变时该值的变化可以忽略。 则式(2)表明，物质熔点随压力的变化受固液相变体积变化的影响，当熔化过程为膨胀反应时，熔点随压力增加而升高；当熔化过程为压缩反应时，熔点随压力增加而减少。 1.2高压作用下溶质扩散模型 世界金属导报/2007年/1月/30日/第012版 技术专题 快速定向凝固技术的研究及发展 宋宝来周军 定向凝固技术可较好地控制凝固组织晶粒取向，消除横向晶界，获得柱晶或单晶组织，提高材料的纵向力学性能，已成为富有生命力的工业生产手段，代表着航空发动机涡轮叶片生产的现代水平，除用于高温合金的研制外，还逐渐应用到半导体材料、磁性材料、复合材料的研制中，并成为凝固过程理论研究的重要手段之一。 伴随着热流控制技术的发展，定向凝固技术经历了发热剂法(EP)、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)等。其目的就是通过改变已凝固金属的冷却方式来有效控制单向热流，获得理想的定向凝固组织。然而，这些方法所能获得的冷却速率都是有限的。快速凝固技术的发展为提高材料的性能打下良好的基础。定向凝固技术吸收快速凝固技术的优点，发展成新型快速定向凝固技术，研制出新型高性能材料及功能材料。本文评述了快速定向凝固技术的研究进展，指出了快速定向凝固技术存在的问题，并介绍了发展的前景。 1.快速凝固技术原理 快速凝固技术自1960年由美国的P.Duwez开创以来，由于能极大地改善某些材料的组织和性能，因此得到了迅速发展。到目前为止，它已从最开始时用于制备快凝薄条等发展到用于制备微晶、准晶以及非晶等，从而成为研制新型材料的又一重要手段和方法。在快速凝固条件下，可以获得小偏析甚至无偏析的超细化组织以及过饱和固溶体、亚稳相等的事实已广为人知。要达到这一目的，实际凝固过程有两种：一是可以看成是“动力学”的方法，即急冷凝固技术；二是“静力学”的方法，即大过冷快速凝固技术。 1.1急冷凝固技术 急冷凝固技术的核心是提高凝固过程中熔体的冷速，从热传输的基本原理可以知道一个相对环境放热的冷速取决于该系统在单位时间内产生的热量和传出系统的热量，因此对金属凝固而言，提高系统的冷速必须要求：第一，减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热；第二，提高凝固过程中的传热速度。根据这两个基本要求，并针对常规铸造凝固时熔体在体积很大的铸模中同时凝固、热量不易迅速传出和固态淬火时主要通过对流传热，因而冷速不高等问题，急冷凝固技术的基本原理是设法减小同一时刻凝固的熔体体积并减小熔体体积与其散热表面积之比，并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以及主要通过传导的方式散热。采用急冷的方法可以分为模冷技术、雾化技术、表面熔化与沉积技术三类。 1.2大过冷凝固技术 大过冷快速凝固技术的核心是在熔体中设法消除可以作为非均匀形核媒质的杂质或容器的影响，创造尽可能均匀形核的条件，从而在形核前获得很大的过冷度。通常在熔体凝固过程中促进非均匀形核的形核媒质主要来自熔体内部和容器壁，因此大过冷技术就是主要从这二个方面设法消除形核媒质。采用大过冷快速凝固技术的具体方法大致分为两类。一类是熔滴弥散法，即在细小熔滴中达到大凝固过冷度的方法，包括乳化法、熔滴水成冰(基底法)和落管法等。另一类是在较大体积熔体中获得大的凝固过冷度的方法，包括玻璃体包裹法、二相区法和电磁悬浮熔化法等。 2.快速定向凝固固液界面稳定性理论 Chalmers等在成分过冷理论中指出，定向凝固过程中固液界面形态由G1／R值决定，当G1／Rφ△T0／D1时，为平面状界面；当G1／R值逐渐减小时，平界面失稳，逐渐发展为胞状至树 一、平衡态与非平衡态各有什么特点？重要的热力学状态函数有哪些？ 答：平衡态的特点：温度、成分及压力都是均匀的，具有动态平衡的特点，实质是指两种或两种以上的相彼此变化的速率相等。从热力学来讲，系统的自由能最低； 非平衡态的特点：一旦改变处于平衡态系统的外界条件时，系统的平衡态就会遭到破坏，此时系统处于非平衡状态，能量较高。而在处于非平衡状态的系统经过一定时间后，又会达到新条件下新的平衡态。 重要的热力学状态函数：内能U、焓H、熵S、自由能F和G 二、简述相变的分类、局域平衡假设及Onsager倒易关系。 答：①相变的分类：按物质状态划分、从热力学角度划分、按结构变化划分、按相变发生的动力学机制划分； ②局域平衡假设：对于总体上为非均匀的热力学非平衡体系，若将其分割成无数个小的区域，则每个小的区域内的性质(如T,p等)可以认为是近乎均匀的。假设把某小区域与其周围的体系隔离开来，在刚隔离开的时刻t，此小区域仍处于非平衡态，但经过极短时间dt之后，这个小区域内的分子便达到平衡分布，即可认为此区域达到热力学平衡，故可给出此小区域的所有热力学函数，并假定这套热力学量可以用来描述此局域在时刻t的热力学状态。以上所述即为局域平衡假设。 ③Onsager倒易关系：昂色格倒易关系如下式所示： L kk'=L k'k 上式是线性非平衡态热力学最重要的理论基础。它表明线性不可逆过程的唯象系数具有对称性。 此式的物理意义是：当第k个不可逆过程的流J k 受到第k’个不可逆过程的 力X k’影响的时候，第k’个不可逆过程的流J k’ 也必定受到第k个不可逆过程的 力X k 的影响，并且，这种相互影响的耦合系数相等。 在运用昂色格倒易关系时应注意力和流的量纲的选择，应使流与力的乘积具有熵S的量纲。 三、 四、凝固过程的应用目标是什么？其研究手段和研究内容有哪些？凝固过程的理论研究经历了哪几个阶段？ 应用目标：改变传热、传质条件，施加各种物理场（微重力场、超重力场、电场、磁场）来控制并改善传热、传质条件，或通过化学方法控制热力学平衡和动力学过程，以期得到最理想的组织和最低缺陷，最终获得形状完整、并具有一定力学、物理、化学性能的产品。 研究手段:：实验、数学解析、数值模拟、物理模拟 研究内容： 相变热力学：相平衡、界面、化学平衡 凝固动力学：溶质再分配、形核、生长、化学反应 传输现象：传热、传质、对流 第二章快速凝固技术 2.1快速凝固技术概论 快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。由于由液相到固相的相变过程进行的非常快，快速凝固材料可以获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构。目前，快速凝固技术是冶金领域和金属材料专业研究的重要领域。 在金属凝固过程中，凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而重要的影响。常规工艺下金属凝固的冷却速度一般不会超过102 K/s，通常大型砂型铸件及铸锭凝固时的冷却速度约为：10-6-10-3 K/s,中等铸件及铸锭约为10-3-100 K/s；薄壁铸件、压铸件、普通雾化约为100-102 K/s。快速凝固的金属冷却速度一般要达到106-109 K/s。 经过快速凝固的合金，会出现一系列独特的结构与组织现象。上世纪60年代美国加州理工学院Duwez等人采用一种特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金在大于107 K/s的冷却速度下凝固。他们发现，在这样快的冷却速度下，本来是属于共晶系的Cu-Ag合金中，出现了无限固溶的连续固溶体；在Ag-Ge 合金系中，出现了新的亚稳相；而共晶成分Au-Si (XSi=25%)合金竟然凝固为非晶态的结构，获得了金属玻璃。这些发现，在世界物理冶金和材料科学工作者面前展现了一个新的广阔的研究领域。 70年代出现了利用快速凝固技术制备的晶态材料，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应用取得了重大进展。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。快速凝固技术既是研究开发新材料的手段，也是新材料生产提高产品质量、降低生产成本的基础。 2.2 快速凝固的组织特征 合金的组织结构与合金的凝固模式密切相关。在过冷不断加深的过程中，合金的组织及结构将发生变化，图2-1 示出了冷却速度加快引起的凝固组织的变化框图。 图2-1 冷却速度增大引起的凝固组织的变化 0 绪 论 很多材料都是多元合金，其性能有凝固和随后处理阶段发展的组织所决定。所以，对凝固过程的研究与控制是获得材料良好性能的基础。凝固又称一次结晶，是金属和合金从液态到固态的相变过程。这个过程包含了晶体的形核与长大两个过程，涉及到热力学和动力学，所以金属凝固的研究通常包括括两大方面，一是借助冶金物化、数学等方法，从传热、溶质传输、固液界面的动力学等方面进行探索和研究的凝固理论，一是利用凝固理论，从合金熔炼、铸件形成、合金化、孕育处理及消除缺陷等方面开展研究的凝固技术。 由于凝固理论和凝固技术的发展，出现了一些对材料和机械工程有深刻影响的新方法和新技术，从而带来了技术革命。如悬浮铸造，精密铸造，定向凝固，快速凝固，电磁搅拌凝固，压力凝固等。 1 凝固基本理论 1.1 凝固热力学 1.1.1 相变驱动力 从热力学得知，系统的自由焓（G ）可表示为 G =H -TS 其中，H 为系统的焓，又称热函；S 为熵；T 为绝对温度。 自由焓又称等压位，与之对应的为自由能F ，又称等容位，F=U -TS ，由于G=H -TS =U+PV -TS ，当PV 很小时，G=U -TS=F 。所以有时也粗略地将自由焓成为自由能。 由 G=U -TS+PV d G=d U -T d S -S d T+P d V+V d T 而 d U =δQ -δW 其中，Q 为系统从外界吸收的热量；W 为系统对外界所作的功。 在恒温下δQ =T d S ，在只有膨胀功时，δW =P d V ，所以 d U =T d S -P d V 代入前式得： 在恒压条件下d P =0， 故 d G = -S d T ， 即 S T G -=d d 这就是说，在通常压力一定的条件下，温度升高时，自由能降低。纯金属固相和液相自由能随温度的变化不同。在熔化温度T m 时，液相的自由能G L 等于固相的自由能G S ，即?G =G L -G S =0，此时两相处于平衡状态。当温度低于T m 时，G S 快速凝固技术
快速凝固
金属凝固理论重点总结
凝固理论
快速凝固技术概述
第一章 合金凝固理论
快速凝固铝合金的组织与性能
快速凝固技术论文
快速凝固技术
凝固原理
快速凝固技术在钛合金材料的应用及发展趋势
凝固理论
快速凝固技术的应用研究
合金凝固理论
快速定向凝固技术的研究及发展
凝固理论
第二章快速凝固
第1章 凝固理论