3 材料的凝固与结晶
第三章材料的凝固
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。
物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。
3.1 纯金属的结晶
一.结晶的热力学条件
结晶的驱动力是实际结晶温度（T 1）下晶体与液体的自由能差ΔGV。而
理论结晶温度（T 0）与实际结晶温度（T 1）的差值称作过冷度（ΔT），即ΔT= T 0
-T
1。
过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。
液体和晶体的自由能-温度曲线
纯金属的冷却曲线
二、纯金属的结晶过程
1、结晶的基本过程
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.
液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T 0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。
晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。
气体、液体、晶体的结构
纯金属结晶过程示意图
气体晶体
液体 2、晶核的形成方式
形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。
以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。 3、晶核的长大方式
晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。实际金属结晶主要以树枝状长大。
6
三、凝固组织及其控制
1、晶粒度
表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。
工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。
z
标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。
z
（一）结晶后的晶粒大小及其控制
7
2、决定晶粒尺寸的因素
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。z
单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。
z
单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。
z
N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。
83、控制晶粒度的方法
⑴控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。
⑵变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的物质叫变质剂（或称孕育剂）。
⑶振动、搅拌：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。
9
铸铁变质处理前后的组织
变质处理前
变质处理后
变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。
10 4、晶粒大小对金属性能的影响
常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属强度、硬度越高，同时塑性、韧性越好。称为细晶强化。
高温下，晶粒过粗、过细都不好。
11
（二）铸锭组织及其控制
在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。
铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。
12
1、铸锭的组织
铸锭(件)的宏观组织通常由表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三个区组成:
铸锭三区
13
⑴表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。
14
⑵柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。
⑶中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T 1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。
15
z 2、铸锭的缺陷
z
铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析等，它们对性能是有害的。
⑴缩孔：金属凝固时体积收缩，如果没有足够的液体补充便会形成孔隙。如果孔隙集中在凝固的最后部位，则称缩孔。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。
缩孔
16
⑵偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。
⑶气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡。铸锭内表面未被氧化的气孔可在热加工时可焊合，如发生氧化则必须去除。
2、固态转变的特点
z
⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等），因为这些部位或与新相结构相近，或原子扩散容易。。
z ⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大，固态相变组织通常要比结晶组织细。。
z
⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力，使材料发生变形或开裂。。
3.2 合金的结晶
合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.
相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。
合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。
组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。
相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
一、二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例]
1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。
2.将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。
3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。
相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。
Cu-Ni合金二元相图建立示意图
二、二元相图的基本类型与分析
z
两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。
z
以Cu-Ni合金为例进行分析。
Cu -Ni 合金相图
1、二元匀晶相图
相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。
相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为α
固
溶体
区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ α）。
α
L
L
+
α液相线
固相线
⑴合金的结晶过程
当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为α1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分，这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀
晶转变或匀晶反应。
Cu-Ni二元合金的结晶过程
z
随温度下降，固溶体质量增加，液相质量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化，成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t 3时，最后一滴L 4成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分α4上来。
z
液固相线不仅是相区分界线, 也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。
固溶体结晶时成分变化。
慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。 快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。 枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀。 对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。
扩散退火：把合金加热到低于固相线100 ℃左右, 长时间保温, 原子充分扩散, 获得成分均匀的固溶体。
z （2）
枝晶偏析Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
26
（3）杠杆定律
设合金总量为1，液相重量W L ，固相α重量为Wα。已知
液相L中Ni的重量分数为C L ，相α中N i的重量分数为Cα,合金中N i的重量分数量为C,则：
bc
ab CC C C W W C C C C W C C CC W CW C W C W W W L L L L
L L L L L ==?==
?=?+?=+ααα
ααα
ααα1
2、二元共晶相图
当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。Pb-Sn 合金相图
共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应，生成的两相混合物叫共晶体。
发生共晶反应时三相共存, 三相各自成分确定, 恒温进行。
以Pb-Sn 相图为例进行分析。
⑴相图分析
①相：相图中有L、α、β三种相,
α是溶质Sn在Pb中的固溶体，β是溶质Pb在Sn中的固溶体。
②相区：相图中有三个单相区：L、α、β；三个两相区：L+α、L+β、α+ β；一个三相区：即水平线CED。水平线cde 为共晶反应线, 成分在ce 之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。
cf 线为Sn在Pb中的溶解度线(α相的固溶线)。Sn含量大于f 点的合金从高温冷却到室温时, 从α相中析出β相，叫二次β：α→βII 。
eg 线
为Pb在Sn中溶解度线。Sn含量小g 点的合金, 冷却过程中同
样发生二次结晶, 析出二次α。
⑵合金的结晶过程 ①合金Ⅰ的结晶过程 合金I的室温组织为α+βII
成分大于D点合金结晶过程与Ⅰ合金相似，室温组织为β+ αⅡ。
.2
②合金Ⅱ(共晶合金)的结晶过程 合金的室温组织：共晶体(α+β)
组织组成物：(α+β) 组成相：α和β相
析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。
19.2
wt%Sn
温度, ℃
1’
共晶合金组织的形态
③合金Ⅲ(亚共晶合金) 的结晶过程 合金室温组织：初生α+二次β+(α+β)
组织组成物：α、二次β、(α+β)
组成相：α、β
④
过共晶合金结晶过程
与亚共晶合金相似，不同的是一次相为β, 二次相为αⅡ
室温组织为βⅠ+(α+
β)+αⅡ。
亚共晶合金组织
过共晶合金组织
亚共晶合金和过共晶合金组织
初生α+二次β+(α+β)
初生β+二次α+(α+β)
⑶组织组成物在相图上的标注
组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
3、二元包晶相图
Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金具有包晶相图。
Pt-Ag 合金相图
Pt-Ag合金相图中存在三种相:L相:Pt与Ag形成的液溶体α相:Ag溶于Pt中的有限固溶体β相:Pt溶于Ag中的有限固溶体e 点为包晶点。e 点成分的合金冷却到
e 点温度(包晶温度)时发生包晶反应：L+α→β。
反应时三相共存, 它们的成分确定, 恒温进行。水平线ced 为包晶反应线。cf 为Ag在α中的溶解度线,
eg 为Pt在β中的溶解度线。
4、形成稳定化合物的二元相图
稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg 2Si和Fe-C系的Fe 3C) 。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。垂足是其成分, 顶点是其熔点, 结晶过程同纯金属.
z
分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元
看待，将相图分成几个部分进行分析.
Mg 2Si
Mg 2Si+Si
Mg+ Mg 2Si
Si
L+ Mg 2Si
L+ Si
L+ Mg 2Si
L+ Mg
共析转变也是固态相变。
最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:
γS ?αP + Fe 3C 。
5、具有共析反应的二元相图
z
共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的
过程。
P
S (γ—奥氏体，α—铁素体，Fe 3C —渗碳体)
共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。
z
与共晶反应不同的是，共析反应的母
相是固相，而不是液相。
z
另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细
。
珠光体
恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。
γ?α+ β
共析反应恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。
L + α?β
包晶反应
恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。
L ?α+ β
共晶反应
说明
反应式
图形特征
反应名称
常见三相等温水平线上的反应
6、相图与合金性能之间的关系
⑴相图与合金力学性能、物理性能的关系
①两相机械混合物的合金:性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如：
σ混= σα·
Q α+ σβ·Q β HB 混=HB α·Q α+HB β·Q β
(Q α、Q β为两相相对重量)
②
单相固溶体的合金：
性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，σ、HB、ρ增加，塑性下降。
③形成稳定化合物的合金：
性能-成分曲线出现拐点。
合金的使用性能与相图
的关系示意图
⑵相图与铸造性能的关系z
①固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大, 树枝晶发达, 流动性降低, 补缩能力下降, 分散缩孔增加.
z
②共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性能好。
合金的铸造性能与相图的关系示意图
43
纯铁的同素异构转变
1394℃
912℃
δ-Fe ?γ-Fe ?α-Fe
纯铁的同素异构转变
3.3 铁碳合金相图
3.3 铁碳合金相图
铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。
含碳量为0.0218% -2.11%的称钢 含碳量为2.11%-6.69%的称铸铁
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe 3C、Fe 2C、FeC等。
有实用意义的是Fe-Fe 3C部分，称为Fe-Fe 3C相图。
一、铁碳合金的组元和相
碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。
都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
铁素体
z ⒈组元：Fe、Fe 3C z ⒉相z ⑴铁素体：
z
碳在α-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或α表示。 ⑵奥氏体:
碳在γ-Fe中的固溶体称奥氏体。用A 或
γ表示。
是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。
z
组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在γ区进行.
z
碳钢室温组织中无奥氏体。
奥氏体
⑶渗碳体：即Fe 3C, 含碳6.69%, 用Fe 3C 或C m 表示。
Fe3C相是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 性能特点是硬而脆。
渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
1、相图中重要的点和线(1) 重要的点●J 点（包晶点）●C 点（共晶点）
共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe 3C三相共存，三相成分一定。
二、铁碳合金相图的分析
●S点（共析点）
共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、
Fe
3
C三相共存，三相成分一定。
共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混
合物, 称珠光体, 以符号P表示。
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
珠光体形态：显微镜下珠光体的形态呈
层片状。相间分布渗碳体片与铁素体片。
珠光体性能：强度较高, 塑性、韧性和
硬度介于渗碳体和铁素体之间。
珠光体机械性能
180 HB
20%～35%
3×105J/m2
～
4×105
J/m2
770 MPa
硬度
延伸率
δ
冲击韧性
a
k
抗拉强度极限
/σ
b
●E点1148℃，2.11%C
碳在γ-Fe中的最大溶解度
●P点727℃，0.0218%C
碳在α-Fe中的最大溶解度
●B点1495℃,0.53 %C
包晶转变时液态合金的成分
●水平线HJB:包晶反应
线发生包晶反应。
●水平线ECF:共晶反应线
发生共晶反应。
●水平线PSK :共析反应
线发生共析反应。亦称A
1
线。
(2) Fe-Fe
3
C相图中重要的线
●GS线A中开始析出F临界温度线, 称A
3
线。
●ES线碳在A中的固溶线，叫A
cm
线。从A中析出
Fe
3
C，叫二次渗碳体(Fe
3
C
II
)。亦是A中开始析出
Fe
3
C
II
的临界温度线。
●PQ线是碳在F中固溶线。是F中开始析出
Fe
3
C
III
的临界温度线。
Fe
3
C
III
数量极少, 往往予以忽略。
z2、相区
z⑴五个单相区：
L、δ、γ、α、Fe
3
C
z⑵七个两相区: L+δ、
L+γ、L+Fe
3
C、δ+γ、
γ+Fe
3
C、γ+α、
α+Fe
3
C
δ
z⑶三个三相区：即HJB (L+δ+γ)、ECF(L+γ+ Fe3C)、
PSK(γ+α+ Fe3C)三条水平线
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程
根据Fe-Fe
3
C相图, 铁碳合金可分为3类7种：
(1)工业纯铁[ w(C)≤0.0218%]
(2)钢[0.0218%< w(C)≤2.11%]
亚共析钢0.0218% 共析钢w(C) = 0.77% 过共析钢0.77% (3)白口铸铁[2.11% 亚共晶白口铸铁 2.11%< w(C)<4.3% 共晶白口铸铁w(C) = 4.3% 过共晶白口铸铁 4.3%< w(C)<6.69% 1 、工业纯铁的结晶过程 合金液体在1-2点间转变为δ，3-4 点间 δ→γ，5-6点间γ→α。 到7点，从α中析出Fe 3C。 室温平衡组织为F+ Fe 3C III 纯铁的室温平衡组织 F呈白色块状; Fe 3C III 量极少, 呈小白片状分布于F晶界处。 若忽略Fe 3C III , 则组织全为F 。 室温平衡组织: F+ Fe 3C III 2、共析钢的结晶过程 1～2点L+A 2～3点 A 3～3'点A→P 3'～4点 P 共析钢的室温平衡组织为: P 珠光体在光镜下呈指纹状. z 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。 z S点以下，共析α中析出Fe 3C Ⅲ，与共析Fe 3C 结合不易分辨。室温组织为P . 珠光体 Q 3、亚共析钢的结晶过程 α+Fe 3C Ⅲ G S P A B J H 1～2点L+δ。2～2'点L+δ→A 反应结束还有L 2'～3点L+A 3～4点A 4～5点A+F 5～5'点A→P F不变化 5'～6点P+F 40钢的室温平衡组织 F呈白色块状; P呈层片状, 放大倍数不高时呈黑色块状。 碳质量分数大于0.6%的亚共析钢, 室温平衡组织中的F呈白色网状, 包围在P周围。 含0.4%C的亚共析钢组织组成物为F和P 。 室温平衡组织: F+P 4、过共析钢的结晶过程 1～2点L+A 2～3点A 3～4点A→Fe 3C II , Fe 3C II 呈网状分布在A晶界上。4～4‘点A→P ，Fe 3C II 不变化。4'～5点P+Fe 3C II T12钢的室温平衡组织 Fe 3C II 呈网状分布在层片状P周围。含1.2%C的过共析钢的组成相为F和Fe 3C 组织组成物为Fe 3C II 和P ： P+Fe 3C II 5、共晶白口铁的结晶过程 1～1'点L→Le 即L→(A+Fe 3C)。 1'～2点Le中的A 析出Fe 3C II 。 此时的莱氏体由A+ Fe 3C II + Fe 3C组成。 2～2'点A→P，高温莱氏体Le转变成低温莱氏体 Le'(P+ Fe 3C II + Fe 3C)。 2'～3点Le' 共晶白口铁室温组织为Le ’(P+ Fe 3C), 它保留了共晶转变产物的形态特征。 Le'由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成。 共晶白口铸铁的组织组成物：全为Le', 组成相：F和Fe3C 。 6、亚共晶白口铁的结晶过程 1～2点L+A。2～2'点L→Le, 共晶反应结束 时:A+Le 2'～3点A晶界析出Fe 3C II 组织为A+Fe 3C II +Le 3～3'点A→P; 高温莱氏体Le转变为低温莱氏体Le'3'～4点P+Fe 3C II +Le' 网状Fe 3C II 分布在粗大块状P的周围, Le ‘由条状或粒状P和Fe 3C基体组成。 亚共晶白口铸铁的组成相为F和Fe 3C ;组织组成物:P、Fe 3C II 、Le'。 亚共晶白口铸铁的室温平衡组织 室温平衡组织:P+Fe 3C II +Le' 7、过共晶白口铁的结晶过程 合金先从L中结晶出Fe3C I 。 然后L发生共晶反应转变为Le。 共析温度时高温莱氏体Le转变为低温莱氏体Le'。得到 Fe3C I +Le' D F K 3Fe 3C 1 2 4 Fe 3C I 呈长条状 Le'由黑色条状或粒状P和白色Fe 3C基体组成。 过共晶白口铸铁的室温平衡组织 室温平衡组织：Fe 3C I +Le' 组织组成物与相组成物标注区别主要在γ+ Fe 3C 和α+Fe 3C 两个相区. γ+ Fe 3C 相 区中有四个组织组成物区， α+Fe 3C相区中有 七个组织组成物区。 z 8、组织组成物在铁碳合金相图上的标注 γ+ Fe 3C α+ Fe 3C δ Fe Fe 3C S Q P N K J H G F E D C B A A+ Fe 3C A+F L+A A+ δ L+ δ F δ A L L+ Fe 3C F+ Fe 3C A+ Fe 3C Ⅱ A+ Fe 3C Ⅱ+Le Le Le+ Fe 3C Ⅰ Le’+ Fe 3C Ⅰ Le’ P+ Fe 3C Ⅱ+Le’ P+ Fe 3C Ⅱ P+F P F+ Fe 3C ⅢC% 温度 四、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 1、含碳量对室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为： 钢铁素体α 亚共析钢过共析钢 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 共析钢白口铸铁 二次渗碳体 工 业纯 铁珠光体莱氏体 一次渗碳体 Fe 3C 钢铁 分类 组织组成物相对量%相组成物相对量% 含碳量%00.02180.77 2.11 4.3 6.69 100 100 三次渗碳体 2、含碳量对力学性能的影响 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。 0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。 ＞0.9%C，Fe3C Ⅱ在奥氏体晶界上形成连续网状，强度下降, 但硬度仍上升。 ＞2.11%C，组织中有以Fe 3C为基的Le ’,合金太脆。 3、含碳量对工艺性能的影响 ①切削加工性能:中碳钢的切削加工性能比较好。 ②可锻性能:低碳钢可锻性良好。 ③焊接性能:低碳钢焊接性能好。 ④铸造性能:共晶成分合金铸造性能最好。 ⑤热处理性能:碳的影响很大。 材料结构与性能（珍藏版） 一、何为金属键？金属的性能与金属键有何关系？ 二、试说明金属结晶时，为什么会产生过冷？ 三、结合相关工艺或技术说明快速凝固的组织结构特点。 四、画出铁碳合金相图，并指出有几个基本的相和组织？说明它们的结构和 性能特点。 五、说明珠光体和马氏体的形成条件、组织形态特征和性能特点。 六、试分析材料导热机理。金属、陶瓷和玻璃导热机制有何区别？将铬、 银、Ni-Cr合金、石英、铁等物质按热导率大小排序，并说明理由。 七、从结构上解释，为什么含碱土金属的玻璃适用于介电绝缘？ 八、列举一些典型的非线性光学材料，并说明其优缺点。 九、什么是超疏水、超亲水？超疏水薄膜对结构与表面能有什么要求？ 十、导致铁磁性和亚铁磁性物质的离子结构有什么特征？ 答案自测 特别重要的名词解释 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径 （r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。 电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。 第三章材料的凝固与结晶 第一节凝固的概念第二节金属的结晶和铸锭第三节合金的结晶过程 第一节凝固的概念 目的要求：通过讲授晶体与非晶体的凝固，使学生掌握物质从液态转变为固态所遵循的基本规律． 授课内容： 一，晶体的结晶 二，非晶体的结晶 重点：晶体结晶时过冷现象及热力学条件 难点：晶体与非晶体凝固的不同点 教学方法：课堂讲授并结合多媒体演示 讲授重点内容提要 一，晶体的凝固 物质从液态到固态的转变过程统称为＂凝固＂，如果通过凝固能形成晶体结构，则可称为＂晶体＂．凡纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的＂平衡结晶温度＂（即理论结晶温度Ｔ０），高于此温度（即实际结晶温度Ｔ１）才能进行结晶；两者之差ΔＴ＝Ｔ０－Ｔ１称为过冷度，处于平衡结晶温度时，液体与晶体同时共存，达到可逆平衡． 为什么纯元素的结晶都具有一个严格不变的平衡结晶温度呢？这是因为它们的液体与晶体之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故．这一能量叫做＂自由能（Ｆ）．同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，它们在不同温度下的自由能变化是不同的,如图3-1所示． 由此可见，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论温度，造成液体与晶体间的自由能差：（ΔF=F液－F晶），即具有一定的结晶驱动力才行． 二：非晶体的凝固 若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那就不能称之为结晶，只能称为凝固．非晶体的凝固与晶体的晶体，都是由液体转化为固体，但本质上又有区别．非晶体的凝固实质上是靠熔体粘滞系数连续加大完成，即非晶体固态可看作粘滞系数很大的＂熔体＂，需在一个温度范围内逐渐完成凝固． 第二节金属的结晶和铸锭 目的要求:通过讲授金属的结晶过程 授课内容: 一:金属的结晶过程 二:金属结晶后的晶粒大小 1:晶粒大小与性能的关系 2:晶粒大小的控制 三:金属铸锭组织 1:表面细晶粒层 2;柱状晶粒层 3:中心等轴晶 重点:凝固的概念,金属结晶的铸锭. 难点:对结晶热力学条件的理解,金属的铸锭组织 讲授重点内容提要: 一:金属的结晶过程 纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的.它是不断形成晶核和晶核不断长大的过程,如图3-3所示.（P38页） 二:金属结晶后的晶粒大小. 1:晶粒大小与性能的关系. 金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体,而晶粒的大小是金属组织的重要标志之一.一般情况下,晶粒愈细小,金属的强度就愈高,塑性和韧性也愈好.表3-1（P39页）说明晶粒大小对纯铁机械性能的影响. 2:晶粒大小的控制 金属结晶后单位体积中晶粒数目Z,取决于结晶时的形核率N(晶核形核数目/S·m㎡)与晶核生长速率G(㎜/s),它们存在着以下的关系:Z∝√N/G,由上可知,当晶粒生长速率G一定时,晶核形核率N愈大,晶粒数目就愈多,反之则愈细. 1):增大过冷度: 金属结晶时的冷却速度愈大,其过冷度便愈大,不同过冷度ΔT对晶核形核率N和生长速率G的影响,如图3-6所示. 2):变质处理: 在液态金属结晶前,加入一些细小的变质剂,使金属结晶时的晶核形核率N 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 第三章材料的凝固 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。 3.1 纯金属的结晶 一.结晶的热力学条件 结晶的驱动力是实际结晶温度（T 1）下晶体与液体的自由能差ΔGV。而 理论结晶温度（T 0）与实际结晶温度（T 1）的差值称作过冷度（ΔT），即ΔT= T 0 -T 1。 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。 液体和晶体的自由能-温度曲线 纯金属的冷却曲线 二、纯金属的结晶过程 1、结晶的基本过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成. 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T 0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 气体、液体、晶体的结构 纯金属结晶过程示意图 气体晶体 液体 2、晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。 3、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。实际金属结晶主要以树枝状长大。 6 三、凝固组织及其控制 1、晶粒度 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。 工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。 z 标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。 z （一）结晶后的晶粒大小及其控制 先进凝固技术 Advanced Solidification Technology 课程编号：07371120 学分：1.5 学时：24 （其中：讲课学时：30 实验学时：0 上机学时：0 ） 先修课程：金属凝固原理、物理化学、金属学与热处理、液态成型原理与工艺 适用专业：材料成型及控制工程 教材： 开课学院：材料科学与工程 一、课程的性质与任务 《先进凝固技术》是材料成型与控制工程专业教学计划中的专业选修课。先进凝固技术是近几年来迅速发展的新型合金材料的几种成型新技术。本课程介绍了定向凝固技术、快速凝固技术、半固态成形技术以及非平衡条件下的凝固技术。详细介绍了这些的先进技术的原理、特点及应用。 本课程的任务：加强金属凝固原理基础知识的理解，并通过这些新技术的介绍去理解基础理论与高端新材料技术之间的逻辑关联性，学习新材料、新技术研发及其应用的方法和途径。 二、课程的内容及要求 1.教学内容 第一章凝固原理 全面理解从原子结构、金属键、界面能、生长形态、稳定性判据、凝固组织结构与性能之间的内在联系，获得提高材料性能的基本条件及可能途径。 第二章定向凝固技术与应用 从凝固过程之界面稳定性判据、以及高性能关键部件的力学性能要求出发，提出定向凝固技术的基本理论及其关键技术要素，重点学习获得高品质先进材料必须满足的条件及其影响因素。 第三章半固态成形技术 从材料性能与组织形态发布之间的关系出发，提出半固态成形技术的基本理论依据，重点学习半固态成形过程中的形态控制方法。 第四章快速凝固技术 从组织细化理论出发，结合凝固理论，学习快速凝固技术的基本技术理论，重点学习亚平衡态的凝固技术及其控制方法。 第五章优质铸件与凝固技术 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 教案 （理论课） 2010～2011学年第2学期 课程名称工程材料与成形技术基础教学系机械工程系 授课班级焊接091 主讲教师晏丽琴 职称讲师 培黎工程技术学院二○一一年二月 课程基本情况 系主任：年月日 目录 第一章绪论 第一节材料加工概述 一、材料加工概述 二、材料加工的基本要素和流程 第二节材料成形的一些基本问题和发展概况 一、凝固成形的基本问题和发展概况 二、塑性成形的基本问题和发展概况 三、焊接成形的基本问题和发展概况 四、表面成形的基本问题和发展概况 第三节本课程的性质和任务 绪论 学习思考问题 ·材料加工的基本要素和流程是什么？ ·材料成形存在的基本问题是什么? ·本课程的性质和基本任务是什么? 一、材料加工概述 任何机器或设备，都是由许许多多的零件装配而成的。这些零件所用材料有金属材料，也有非金属材料。零件或材料的加工方法多种多样，归纳起来有以下4类： (1)成形加工：用来改变材料的形状尺寸，或兼有改变材料的性能。主要有凝固成形、塑性成形、焊接成形、粉末压制和塑料成形等。 (2)切除加工：用于改变材料的形状尺寸，主要有车、铣、刨、钻、磨等传统的切削加工，以及直接利用电能、化学能、声能、光能进行的特殊加工，如电火花加：[、电解加工、超声加工和激光加工等。 (3)表面成形加工：用来改变零件的表面状态和(或)性能，如表面形变及淬火强化、化学热处理、表面涂(镀)层和气相沉积镀膜等。 (4)热处理加工：用来改变材料或零件的性能，如退火、正火、淬火和回火等。 根据零件的形状尺寸特征、工作条件及使用要求、生产批量和制造成本等多种因素，选择零件的加工方法，以达到技术上可行、质量可靠和经济上合理。零件制成后再经过检验、装配、调试，最终得到整机产品。 二、材料加工的基本要素和流程 材料加工方法的种类虽然繁多，但通过对每种材料加工方法的过程分析表明，它们都可以用建立在少数几个基本参数基础上的统一模式来描述。该模式便于对各种加工方法进行综合分析和横向比较。 任何一种材料的加工过程，都是为了达到材料的形状尺寸或性能的变化。而为了产生这种变化，必须具备三个基本要素：材料、能量和信息（图1.2）。因而材料的加工过程，可以用相关材料流程、能量流程和信息流程来描述。 三大流程： 1.材料流程 表征加工过程特点的类型； 要改变形状尺寸和性能的材料状态； 能够用来实现这种形状尺寸和性能变化的基本过程； 2.能量流程 包括机械过程的能量流程，热过程能量：电能、化学能、机械能 3.信息流程 形状信息、性能信息 关于新型材料结构与性能的关系相关文章读后感 通过阅读文献，我了解了关于新型材料的一些基础知识。 新型材料是指那些新近发展或正在发展的、具有优异性能和应 用前景的一类材料。新型材料的特征： （1）生产制备为知识密集、技术密集和资金密集； （2）与新技术和新工艺发展密切结合。如：大多新型材料通过 极端条（如超高压、超高温、超高真空、超高密度、超高频、 超高纯和超高速快冷等）形成。 （3）一般生产规模小，经营分散，更新换代快，品种变化频繁。 （4）具有特殊性能。如超高强度、超高硬度、超塑性，及超导 性、磁性等各种特殊物理性能。 （5）其发展与材料理论关系密切。 新型材料的分类，根据性能与用途分为新型结构材料和功能材料。新型结构材料是指以力学性能为主要要求，用以制造各种机器零件和工程结构的一类材料。新型结构材料具有更高力学性能（如强度、硬度、塑性和韧性等），能在更苛该介质或条件下工作。 功能材料指具有特定光、电、磁、声、热、湿、气、生物等性能的种类材料。广泛用于能源、计算机、通信、电子、激光、空间、生命科学等领域。根据材料本性或结合键分为金属材料、元机非金属材料、高分子材料、复合材料 新型材料，在国民经济中具有举足轻重的地位。对新一代材 料的要求是：（1）材料结构与功能相结合。（2）开发智能材料。 智能材料必须具备对外界反应能力达到定量的水平。目前的材料还停留在机敏材料水平上，机敏材料只能对外界有定性的反应。 （3）材料本身少无污染，生产过程少污染，且能再生。（4）制造材料能耗少，本身能创造新能源或能充分利用能源。 材料科学发展趋势：（1）研究多相复合材料。指两个或三个主相都在一个材料之中，如多相复合陶瓷材料，多相复合金属材料，多相复合高分子材料，金属—陶瓷、金属—有机物等。（2）研究并开发纳米材料。①把纳米级晶粒混合到材料中，以改善材料脆性。②利用纳米材料本身的独特性能。 基于材料结构和性能关系研究的材料设计,其核心科学问题有三: (l)寻找决定材料体系特性的关键功能基元； (2)材料微观结构和宏观功能特性的关系的研究； (3)基于功能基元材料体系的设计原理。 各种新型材料的开发研究越来越引起人们的重视,活性碳纤维(ACF)(或纤维状活性碳(FAC)是近几十年迅速发展起来的一种新颖的高效吸附材料。 ACF的吸附性能与其结构特征有密切关系.影响性能的结构因素可分为两个方面:其一为孔结构因素,如比表面积、孔径、孔容等。在通常情况下,比表面积与吸附量有正比关系;其二为表面官能团的种类和含量,例如含氮官能团的ACF对含硫化合物有优异的吸附能力. 第一章工程材料与制造技术简论 本章教学学时：2 本章内容主要是为了拓宽学生的知识面，所涉及内容十分丰富。从横向看，内容包括工程材料、材料成型、机械加工、计算机技术、自动化技术、工业管理等系列知识；从纵向看，内容则包括了材料与制造技术的发展历程和相关学科发展对制造技术的积极渗透。可以说本章是工科低年级同学进入本课程学习，也是进入专业学习的起点。建议同学在学习中能跳出本课程，站在技术和社会发展的高度，理解该课程的基础地位和重要性。 本章教学方式：课堂讲课及学生自学 主要内容： 一、工程材料发展简述 世界各国对材料传统的分类：金属材料、无机非金属材料（陶瓷）、有机高分子材料和复合材料四大类。 这四类工程材料不同历史阶段所具有的相对重要性急发债趋势见图1-1。 图1-1 工程材料发展历史虽时间推移的相对重要性示意图（时间是非线性的） （一）金属材料的发展史 （二）金属材料的发展现状及趋势 1．高纯材料以超高纯铁为例，在高纯状态，纯铁不仅有优异的软磁性能，良 好的耐腐蚀性能，残余电阻率高，而且以高纯铁为基础进行合金研制，预计在高真空容器、极低温材料、核反应堆材料等方面的应用将十分引人注目。 2．高强度及超高强度金属材料超高强度是当代材料科学家为减轻重量、节省资源而追求的设计目标，这在航空、航天、原子能、深海潜艇等领域有极大的需求。提高材料强度，严格讲，一是指提高抵抗塑性变形的能力，二是提高材料抵抗破坏的能力。提高抵抗塑性变形的能力通常叫强化，提高材料抵抗破坏的能力叫韧化，两者同时提高，则称强韧化。通常典型超高强材料包括超高强度钢、高强度铝合金、高强度钛合金等。 3．超易切削钢和超高易切削钢金属材料通常要求机械加工，据统计,切削加工费用大约占总成本的75%。若改成超高易切削钢，实验表明刀具寿命可提高30倍，因此零件成本会大幅度下降，甚至可减少一半。其社会效益和经济效益极其显著。 4．硬质合金与金属陶瓷金属陶瓷最早是为耐磨材料而设计，它是金属材料与陶瓷的复合材料。 5．高温合金与难熔合金 很大程度上 6．纤维增强金属基复合材料该类复合材料的比强度极高，其强度σ c 。目前可供选择的纤维较多，如硼纤维，碳纤维、碳化硅纤取决于增强体纤维强度σ f 维、玻璃纤维、氧化铝纤维等。纤维的选择原则是：比重小，弹性模量E大，强度σ f 高。金属复合材料的发展目标是：制备出各种比强度、比弹性模量高的材料。 7．共晶合金定向凝固材料该材料属新型复合材料，是共晶合金在特殊工艺条件下制备出来的复合材料，其性能特点是在超高温情况下呈现更高强度。它是通过温度梯度定向凝固，使共晶各相在本身的相上连续长大而成的复合材料，这种复合也叫原生复合。共晶合金定向凝固材料可广泛用于涡轮叶片等耐热材料，也可以用于偏光材料。 8．快速冷凝金属非晶及微晶材料快速冷凝技术是本世纪下半叶以来材料制备技术中的重大突破，由此产生了一系列非平衡态的金属合金。快速冷凝可以导致非晶和微晶材料。 典型非晶和微晶金属材料： （1）金属玻璃；（2）金属微晶材料 9．有序金属间化合物金属间化合物是新一代高温结构材料，这类化合物与正常价化合物之间的区别在于，金属间化合物的晶体结构中，其构成元素的原子以整数比构成化合物，不是按照化学价的概念，而是按照金属键或部分共价键结合，由于原子在晶体中作长程有序排列，因而也称有序金属间化合物。 10．纳米金属材料纳米金属是泛指颗粒径小于100纳米(nm)的金属材料，大于100纳米的金属颗粒称为粉末,小于2纳米的金属颗粒则称为原子簇，纳米金属颗粒具有一些明显不同于块状金属和一般粉末金属的属性。 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 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 凝固原理与铸造技术复习题答案 1、画出纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意图，并简要说明其凝固过程的传热特点。 凝固过程的传热有如下一些特点： 简单地说：一热、二迁、三传。 首先它是一个有热源的传热过程。金属凝固时释放的潜热，可以看成是一个热源释放的热，但是金属的凝固潜热，不是在金属全域上同时释放，而只是在不断推进中的凝固前沿上释放。即热源位置在不断地移动；另外，释放的潜热量也随着凝固进程而非线性地变化。一热：有热源的非稳态传热过程，是第一重要的。 二迁：固相、液相间界面和金属铸型间界面，而这二个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使传热现象变得更加复杂。 三传：液态金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传（导热、对流和辐射传热）耦合的三维传热物理过程。 其次，在金属凝固时存在着两个界面。即固相、液相间界面和金属铸型间界面，而在这些界面上，通常发生极为复杂的传热现象。 2、一个直径为25cm的长圆柱形铸钢件在砂型和金属型中凝固： (l)当忽略铸件-铸型界面热阻时，它们的凝固时间各为多少？ (2)当铸件-铸型的界面换热系数hi=0.0024J(cm2．s．℃)时，它们的凝固时间各为多少？ 计算用参数如表l -2所示，计算中假定钢水无过热度，并在一个固定的温度Tf 下凝固，同时假定铸型无限厚。 3、对于单元系而言，为什么高温时稳定的同素异性结构具有比低温时稳定的同素异性结构有较高的热焓，即H(γ -Fe)>H (α-Fe)? 4、推导曲率引起的平衡温度改变的计算公式。 除压力外，表面曲率亦对平衡温度产生影响。在凝固时，表面曲率对固相来说相当于增加了一项附加压力，这项附加压力是与界面张力相平衡的。当任一曲面体的体积增加ΔV，面积增加ΔA时，附加压力ΔP与界面张力σ的关系为： 由于曲率引起的平衡温度的改变为： 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。 第一章 原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度 为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,，晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。 2. Al 的点阵常数为，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四 面体间隙数为 。 3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ， 致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。 4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的 方向。在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=×10-6mm 。 第二章 合金相结构 一、 填空 1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。 2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ；（3） ；（4） 和环境因素。 3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。 4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。 5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。 6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。 二、 问答 1、 分析氢，氮，碳，硼在α-Fe 和γ-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：，氮：，碳：，硼：，α-Fe ：，γ-Fe ：。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。 第三章 纯金属的凝固 1. 填空 1. 在液态纯金属中进行均质形核时，需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 自由能是形核的阻力， 是形核的动力；临界晶核半径r K 与过冷度?T 关系为 ，临界形核功?G K 等于 。 3 动态过冷度是指 。 4 在工厂生产条件下，过冷度增大，则临界晶核半径 ，金属结晶冷却速度越快，N/G 比值 ，晶粒越 。 5. 获得非晶合金的基本方法是 。 二、 问答 1 根据凝固理论，试述细化晶粒的基本途径。 第三章材料的凝固与结晶 本章授课学时：4 学时 本章重点内容： 1 、结晶的基本规律；2 、金属结晶后晶粒大小与性能的关系； 3 、晶粒大小的控制；4 、二元合金相图的基本类型、结晶过程，以及合金相图与性能间的关系。 本章难点内容： 1 、二元合金相图的基本类型、二元合金相图的识别与相图的分析；2 、合金中“相”和“组织”的联系与区别。 第一节凝固的概念 目的要求：通过讲授晶体与非晶体的凝固，使学生掌握物质从液态转变为固态所遵循的基本规律。 重点：晶体结晶时过冷现象及热力学条件。 难点：晶体与非晶体凝固的不同点。 教学方法：课堂讲授并结合多媒体演示。 授课内容： 一、晶体的凝固 物质从液态到固态的转变过程统称为“凝固”，如果通过凝固能形成晶体结构，则可称为“晶体”。凡纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的“平衡结晶温度”（即理论结晶温度Ｔ０），高于此温度（即实际结晶温度Ｔ１）才能进行结晶；两者之差ΔＴ＝Ｔ０－Ｔ１称为过冷度，处于平衡结晶温度时，液体与晶体同时共存，达到可逆平衡。 为什么纯元素的结晶都具有一个严格不变的平衡结晶温度呢？这是因为它们的液体与晶体之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故。这一能量叫做“自由能（Ｆ）”。同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，它们在不同温度下的自由能变化是不同的, 如图所示。 由此可见，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论温度，造成液体与晶体间的自由能差：（ΔF=F 液－ F 晶），即具有一定的结晶驱动力才行。 二、非晶体的凝固 若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那就不能称之为结晶，只能称为凝固。 非晶体的凝固与晶体的晶体，都是由液体转化为固体，但本质上又有区别。非晶体的凝固实质上是靠熔体粘滞系数连续加大完成，即非晶体固态可看作粘滞系数很大的”熔体”，需在一个温度范围内逐渐完成凝固。材料结构与性能(珍藏版)
材料的凝固及结晶
快速凝固技术
快速凝固
3 材料的凝固与结晶
先进凝固技术教学大纲
快速凝固技术概述
工程材料与材料成型技术教案
材料结构与性能的关系
工程材料与制造技术简论
快速凝固铝合金的组织与性能
快速凝固技术论文
快速凝固技术在钛合金材料的应用及发展趋势
快速凝固技术
凝固原理与铸造技术题目及答案
快速凝固技术的应用研究
材料科学基础试题及答案
第三章 材料的凝固与结晶