第一节快速凝固第二节失重条件下的凝固第三节定向凝固教学讲义
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凝固原理讲义-第一课绪论
涉及凝固过程的重要生产环节
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铸造：
锭模铸造 连续铸造 精密铸造
熔模铸造 金属型铸造 陶瓷铸造 压力铸造 消失模铸造 挤压铸造
焊接
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快速凝固过程：
甩带 平面流铸造 雾化 深过冷 表面重熔
定向凝固：
布里奇曼法 直拉法 区熔 电渣重熔法
本门课程设计的意义
由一个晶核长成的晶体就 是一个晶粒。
若整个结晶过程只有一个 晶核形成并长大，即形成 单晶体金属。
常用金属多为多晶体金属 。
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纯金属结晶过程示意
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凝固过程中的热力学和动力学
重要的基础概念 金属凝固的现象 金属凝固的热力学条件 金属凝固的结构条件
形核过程 长大过程 铸锭的组织与缺陷
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形核过程
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一.均匀形核 当液态金属非常纯净、不含任何杂质
时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠 液相内部的结构起伏直接从液相中自发形 成。
也即：新相晶核是在均一的母相内均 匀地形成称为均匀形核。
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形核过程
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在过冷的条件下，金属液体 中晶胚的形成和增大，将引起系 统自由能变化：一方面，转变为 固态的那部分体积会引起自由能 下降；另一方面，晶胚与液相之 间增加的界面会造成自由能（表 面能）增大。设单位体积自由能 的下降为 ΔGv (ΔGv < 0)， 单 位面积的表面能为σ；假设晶胚 为球体，半径为r, 则过冷条件下 形成一个晶胚时，系统自由能的 变化为（见动画演示）
ii
)
iL
p
p
（2-15)
纯溶质元素在液态时的标准化学位
活度系数
金属凝固原理
晶体中每个原子的振动能量不是均 等的，振动方向杂乱无章。每个原 子在三维方向都有相邻的原子，经 常相互碰撞，交换能量。在碰撞时， 有的原子将一部分能量传给别的原 子，而本身的能量降低了。结果是 每时每刻都有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”。由于能 量起伏，一些原子则可能越过势垒 跑到原子之间的间隙中或金属表面， 而失去大量能量，在新的位置上作 微小振动（图 1-3 ）。一旦有机会 获得能量，又可以跑到新的位置上。 原子离开点阵后，留下了自由点 阵——空穴。
三、金属的熔化
实验证明，金属的熔化是从晶界开始的。由于晶界上 原子排列的相对不规则性，许多原子偏离平衡位置， 具有较高的势能。 把金属加热到熔点附近时，离位原子数大为增加。在 外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒间的 相对流动，称为晶界粘滞流动。晶粒内部，也有相当 数量的原子频频跳跃、离位，空穴数大为增加。 接近熔点时，晶界上的原子则可能脱离原晶粒表面， 向邻近晶粒跳跃，晶粒逐渐失去固定形状。
从图1-1可以看出，假设在熔点附近原子间距达到 了 R1 ，原子具有很高的能量，很容易超过势垒而 离位。但是在相邻原子最大引力作用下，仍然要 向平衡位置运动。虽然此时离位原子和空穴大为 增加，金属仍表现为固体性质。
若此时从外界供给足够的能量 —— 熔化潜热，使 原子间距离超过 R1 ，原子间的引力急剧减小，从 而造成原子结合键突然破坏，金属则从固态进入 熔化状态。熔化潜热使晶粒瓦解，液体原子具有 更高的能量，而金属的温度并不升高。
宏观上，物质从液态转变为固态。微观上，激烈运动的液 态原子恢复到规则排列的过程称为凝固。
2 研究对象：
研究液态金属或合金转变为固态金属或合金这一凝固过程 的理论和技术，定性地特别是定量地揭示其内在联系和规 律，发现新现象，探求未知参数，开拓新的凝固技术和工 艺。 凝固学是材料成形技术的基础，也是近代新型材料开拓和 制备的基础。
《快速凝固与新材料》课件
的使用效果和安全性。
02
新材料的种类与特性
新材料的分类
按功能分类
01
如导电材料、磁性材料、Байду номын сангаас学材料等。
按应用领域分类
02
如建筑用材料、航空航天材料、生物医用材料等。
按制备方法分类
03
如金属材料、复合材料、陶瓷材料等。
新材料的特性
高强度
具有较高的抗拉强度和抗压强度，能够承受 较大的压力和负荷。
耐高温
04
快速凝固制备新材料的 应用实例
快速凝固制备新材料在航空航天领域的应用
总结词
提高材料性能，降低成本
详细描述
快速凝固技术制备的新材料在航空航天领域具有广泛的应用，如钛合金、铝合金等。这些新材料具有 优异的力学性能、耐腐蚀性和高温性能，能够提高航空航天器的结构强度和寿命，同时降低制造成本 。
快速凝固制备新材料在汽车工业领域的应用
挑战
快速凝固技术需要高效率的冷却系统和精确的控制技术，设 备成本较高。此外，快速凝固材料的加工和连接技术也是一 大挑战。
解决方案
加强科研投入，提高快速凝固技术的成熟度和稳定性。同时 ，研究新型的快速凝固设备和方法，降低设备成本。针对加 工和连接问题，开展相关研究，开发适用于快速凝固材料的 加工和连接技术。
具有较好的耐热性能，能够在高温环境下保 持稳定的性能。
轻质化
具有较低的密度，能够减轻产品的重量，提 高产品的便携性和机动性。
良好的加工性能
易于加工和制造，能够满足各种复杂形状和 尺寸的要求。
新材料的开发与应用
新材料的开发
通过实验和理论研究，不断探索和发 现新的材料，并对其性能进行优化和 改进。
新材料的应用
02
新材料的种类与特性
新材料的分类
按功能分类
01
如导电材料、磁性材料、Байду номын сангаас学材料等。
按应用领域分类
02
如建筑用材料、航空航天材料、生物医用材料等。
按制备方法分类
03
如金属材料、复合材料、陶瓷材料等。
新材料的特性
高强度
具有较高的抗拉强度和抗压强度，能够承受 较大的压力和负荷。
耐高温
04
快速凝固制备新材料的 应用实例
快速凝固制备新材料在航空航天领域的应用
总结词
提高材料性能，降低成本
详细描述
快速凝固技术制备的新材料在航空航天领域具有广泛的应用，如钛合金、铝合金等。这些新材料具有 优异的力学性能、耐腐蚀性和高温性能，能够提高航空航天器的结构强度和寿命，同时降低制造成本 。
快速凝固制备新材料在汽车工业领域的应用
挑战
快速凝固技术需要高效率的冷却系统和精确的控制技术，设 备成本较高。此外，快速凝固材料的加工和连接技术也是一 大挑战。
解决方案
加强科研投入，提高快速凝固技术的成熟度和稳定性。同时 ，研究新型的快速凝固设备和方法，降低设备成本。针对加 工和连接问题，开展相关研究，开发适用于快速凝固材料的 加工和连接技术。
具有较好的耐热性能，能够在高温环境下保 持稳定的性能。
轻质化
具有较低的密度，能够减轻产品的重量，提 高产品的便携性和机动性。
良好的加工性能
易于加工和制造，能够满足各种复杂形状和 尺寸的要求。
新材料的开发与应用
新材料的开发
通过实验和理论研究，不断探索和发 现新的材料，并对其性能进行优化和 改进。
新材料的应用
第7章定向凝固课件
第7章 定向凝固技术
1
定向凝固技术
o 定向凝固技术的特点 o 定向凝固设备与方法 o 定向凝固中温度场分布 o 定向凝固中浓度场分布 o 定向凝固界面稳定性
2
定向凝固技术
3
涡轮叶片
图1 等轴晶、定向柱状晶和单晶叶片
4
光学晶体
图 2 光学晶体CaF2(左1:φ220×150mm).
5
定向凝固技术的特点
41
(b) 液相完全混合的情况 (Complete mixing)
42
43
(c) 液相中没有混合的情况(Nomixing)
界面处排出的成分只能通过液相扩散进行，而固相 中无溶质扩散，则溶质达到稳态分布的情况
z’=z+Vt
边界条件： z=0 ，CL(0)=CS/k0 ；z= ， CL( )=C0
21
定向凝固技术
o 定向凝固中温度场分布
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
定向凝固技术
o 定向凝固中浓度场分布
35
定向凝固中的溶质场
x0<x1<x0+ x; x0<x2<x0+ x 方程中左边为控制单元体的溶质变化，右边第一项和第二项为 从x0位置处传入的溶质和从x0+ x传出的溶质，其中J(x0,T)为位 置为x0 ，T时刻的溶质流量密度，而第三项为单元体中存在源或 黑洞产生或消耗溶质的部分。
6
提拉法
直拉法(丘克拉斯 基法)， Czochralshi method(process) 简称CZ) Czochralshi crystal pulling technique
1
定向凝固技术
o 定向凝固技术的特点 o 定向凝固设备与方法 o 定向凝固中温度场分布 o 定向凝固中浓度场分布 o 定向凝固界面稳定性
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定向凝固技术
3
涡轮叶片
图1 等轴晶、定向柱状晶和单晶叶片
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光学晶体
图 2 光学晶体CaF2(左1:φ220×150mm).
5
定向凝固技术的特点
41
(b) 液相完全混合的情况 (Complete mixing)
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(c) 液相中没有混合的情况(Nomixing)
界面处排出的成分只能通过液相扩散进行，而固相 中无溶质扩散，则溶质达到稳态分布的情况
z’=z+Vt
边界条件： z=0 ，CL(0)=CS/k0 ；z= ， CL( )=C0
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定向凝固技术
o 定向凝固中温度场分布
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定向凝固技术
o 定向凝固中浓度场分布
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定向凝固中的溶质场
x0<x1<x0+ x; x0<x2<x0+ x 方程中左边为控制单元体的溶质变化，右边第一项和第二项为 从x0位置处传入的溶质和从x0+ x传出的溶质，其中J(x0,T)为位 置为x0 ，T时刻的溶质流量密度，而第三项为单元体中存在源或 黑洞产生或消耗溶质的部分。
6
提拉法
直拉法(丘克拉斯 基法)， Czochralshi method(process) 简称CZ) Czochralshi crystal pulling technique
第八章-凝固新技术—定向凝固
→ 液相线温度TL(x‘)随x’增大上升
→ 当GL（界面前沿液相的实际温度梯度）小 于液相线的斜率时，即:
GL
TL ( x ' )
x '
x' 0
出现“成分过冷” 。
T M
T
S C =C S0
C*
C% L C*
S
m
a)
L
C *=C /k
L
00
C (X') L
C%
b)
C 0
界面
界面
X'
T
T实 1
际
T 实际 2
第八章 凝固新技术
一、 定向凝固
• 1、定向凝固定义、概述 • 2、定向凝固原理 • 3、定向凝固工艺 • 4、定向凝固的应用
1、定向凝固定义
在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属 和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度， 从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得 具有特定取定向柱状晶或单晶的技术。
金属所 LMC法制备的发动机叶片
金属所研制的大型“高温度梯度液态金属冷 却” （LMC）定向凝固设备
实验室用LMC定向凝固设备——沈阳可以生产
液态金属冷却法
影响因素： 冷却剂的温度 模壳传热性、厚度和形状 挡板位置 熔液温度
液态金属冷却剂的选择条件： 有低的蒸气压，可在真空中使用 熔点低，热容量大，热导率高
34
1.试样 2.感应圈 3.隔热板 4.冷却水 5.液态金属 6.拉锭机构 7.熔区 8.坩埚 超高温度梯度定向凝固装置图
35
电磁约束成形定向凝固（DSEMS）
在ZMLMC法基础上，凝固剂属国家重点实验室提出并 探索研究了近十年的电磁约束成形定向凝固技术。该技 术是将电磁约束成型技术与定向凝固技术相结合而产生 的一种新型定向凝固技术。利用电磁感应加热熔化感应 器内的金属材料，并利用在金属熔体部分产生的电磁压 力来约束已熔化的金属熔体成形，获得特定形状铸件的 无坩埚熔炼、无铸型、无污染定向凝固成形。
快速凝固课件
三、快速凝固显微组织
一、显微结构特征
加快冷却速度和凝固速率所引起的组 织及结构特征可以非常近似地用图6-19来 表示。
在过冷不断加深的过程中，合金的组织及结 构主要发生的新变化为： 1、扩大了固溶极限
表中汇集了快速凝固的铝合金中所达到的溶质固溶量数据。 在诸如Al—Cu、Al—Si、Al—Mg等合金中，所达到的固溶量不仅 大大超过了最大的平衡固溶极限，并且超过了平衡共晶点的成分， 即在平衡共晶点成分的合金中，通过快速凝固，形成了单相的铝 固溶体组织。
快速凝固的Al-Fe-V-Si合金组织
能否发生玻璃化转变的影响因素主
要有冷却速率、形核密度和材料特性。 对应于一定的合金熔体，欲发生玻 璃化转变需要有足够高的冷却速率。
金属玻璃的性能特点：
（1）力学性能方面：具有极高的强度及硬度、较好的韧性； （2）由于非晶态合金中没有晶界、位错、夹杂物相等显微缺 陷，因此铁、钴、镍基的金属玻璃具有十分良好的软磁性能， 它们的铁芯损耗仅为晶态合金的几分之一，是优异磁性器件 材料。 （3）具有零电阻温度系数
雾化技术
雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾 化，同时通过对流的冷却方式凝固，其主 要特点是在离心力、机械力或高速流体冲 击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴 在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。
流体雾化法
雾化技术
离心雾化法
机械雾化法
热力学深过冷快速凝固 热力学深过冷是指通过各种有效的净化手段避
免或消除金属或合金液中的异质晶核的形核作用， 增加临界形核功、抑制均质形核作用，使得液态 金属或合金获得在常规条件下难以达到的过冷度。 采用这种技术,可以在冷速不高的情况下获得 很大的凝固过冷度。因此,热力学深过冷非平衡 凝固在理论上不受熔体体积限制，是实现大体积 熔体非平衡凝固的有效方法。
第一章 快速凝固技术
例如， 采用快速凝固粉末制备工具钢，可细化碳化物并消 除其宏观偏析，并可提高合金含量，因而可提高其工艺性 能和使用性能。
2、制备难加工材料薄带、细小线材和块体材料
例如，超合金和Cu-10%Sn青铜等热加工性能差(易产 生龟裂)的材料。通过快速冷却减少偏析、细化组织，就可 提高变形性能，实现热加工；又如温度保险丝用Pb-Bi共晶 合金等细线强度低，拔丝困难，可采用旋转水纺线法制备。
➢ 也就是说，如果这些亚稳相的晶体结构与平衡相图上相邻 的某一中间相的结构极为相似，则可看成是大过冷下中间 相的亚稳浓度扩大的结果。另一方面，也可能形成某些在 平衡相图上完全不出现的亚稳相。对自然决定于 冷却速度与过冷度。
5、形成非晶态 液态合金经过快速凝固而形成非晶态合金是非
度从而提高凝固时的冷速，使熔体凝固时间极短，并只能在 远离平衡熔点的较低温度凝固，因而具有很大的凝固过冷度 和凝固速度。具体实现这一方法的技术称为急冷凝固技术。
另一种方法是“热力学”的方法，即针对通常铸造合金都是 在非均匀形核条件下凝固因而使合金凝固的过冷度很小的问 题，设法提供近似均匀形核(自发形核)的条件。在这种条件 下凝固时，尽管冷速不高但也同样可以达到很大的凝固过冷 度从而提高凝固速度。具体实现这种方法的技术称为大过冷 技术。
5、深过冷凝固（大过冷凝固）
材料在大过冷度下的凝固是一种极端非平衡凝固。 一般它是借助于快速凝固和熔体净化的复合作用 而得到的。
快速凝固通过改变溶质分凝(溶质捕获)，液、固 相线温度及熔体扩散速度等使合金达到深过冷状 态。
熔体净化则通过消除异质核心，使熔体达到过冷 状态。
6、超常凝固
超常条件下的凝固指在某些特殊条件或特殊环境 下，区别于一般公认常规条件下的凝固过程。
2、制备难加工材料薄带、细小线材和块体材料
例如，超合金和Cu-10%Sn青铜等热加工性能差(易产 生龟裂)的材料。通过快速冷却减少偏析、细化组织，就可 提高变形性能，实现热加工；又如温度保险丝用Pb-Bi共晶 合金等细线强度低，拔丝困难，可采用旋转水纺线法制备。
➢ 也就是说，如果这些亚稳相的晶体结构与平衡相图上相邻 的某一中间相的结构极为相似，则可看成是大过冷下中间 相的亚稳浓度扩大的结果。另一方面，也可能形成某些在 平衡相图上完全不出现的亚稳相。对自然决定于 冷却速度与过冷度。
5、形成非晶态 液态合金经过快速凝固而形成非晶态合金是非
度从而提高凝固时的冷速，使熔体凝固时间极短，并只能在 远离平衡熔点的较低温度凝固，因而具有很大的凝固过冷度 和凝固速度。具体实现这一方法的技术称为急冷凝固技术。
另一种方法是“热力学”的方法，即针对通常铸造合金都是 在非均匀形核条件下凝固因而使合金凝固的过冷度很小的问 题，设法提供近似均匀形核(自发形核)的条件。在这种条件 下凝固时，尽管冷速不高但也同样可以达到很大的凝固过冷 度从而提高凝固速度。具体实现这种方法的技术称为大过冷 技术。
5、深过冷凝固（大过冷凝固）
材料在大过冷度下的凝固是一种极端非平衡凝固。 一般它是借助于快速凝固和熔体净化的复合作用 而得到的。
快速凝固通过改变溶质分凝(溶质捕获)，液、固 相线温度及熔体扩散速度等使合金达到深过冷状 态。
熔体净化则通过消除异质核心，使熔体达到过冷 状态。
6、超常凝固
超常条件下的凝固指在某些特殊条件或特殊环境 下，区别于一般公认常规条件下的凝固过程。
第三章定向凝固
第三章定向凝固技术3.1定向凝固技术概论定向凝固技术是上世纪60年代，为了消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能，而首先提出的。
目前，定向凝固技术被广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备。
定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件。
利用定向凝固技术制备的航空领域的高温合金发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。
对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。
用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。
定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流方向相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。
热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。
伴随着对热流控制技术的发展，定向凝固技术由最初的发热剂法(EP法)、功率降低法(PD法)发展到目前广泛应用的高速凝固法(HRS法)、液态金属冷却法(LMC法)何连续定向凝固法。
3.2 定向凝固的理论基础定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，定向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展。
从Chalmers等的成分过冷到Mullins的界面绝对稳定动力学理论，人们对凝固过程有了更深刻的认识。
在定向凝固过程中，随着凝固速度的增加，固液界面的形态由低速生长平面晶→胞晶→枝晶→细胞晶→高速生长的平面晶变化。
无论是那一种固液界面形态，保持固液界面的稳定性对材料的制备和材料的力学性能非常重要。
因此固液界面稳定性是凝固过程中一个非常重要的科学问答题。
低速生长的平面晶固液界面稳定性可以用成分过冷理论来判定，高速生长的平面晶固液界面稳定性可以用绝对稳定理论来判定。
第一节快速凝固第二节失重条件下的凝固第三节定向凝固-资料
其核心是: 熔融金玻液璃中的净异化质法形核核心。
消除合
通过熔融玻璃对合金液的净化作用，消除合金液
中的异质形核核心。
悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）
通过无容器熔炼消除合金熔体与容器接触对形核 的促进作用。
2020/2/17
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T1
三、快速凝固显微组织
T1 ＜ T2
凝固在很大的过冷度和很 高的冷却速率下进行，凝固 组织中会出现非平衡相 。
定向凝固的单晶叶片是通过对多 晶的螺旋选择生长凝固而成的。
等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较
柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶
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失重条件下材料的凝固实验在地面富上Co可相以在通富过Cu
悬浮熔炼 和 落管技术 得到 。
基体上均匀分 布
不同过冷度（ΔT）下Cu84Co16合金电磁悬浮试样的背散射组织
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第三节 定向凝固
• 定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生 长和单晶铸造等方面都有重要的意义。
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四、金属玻璃
• 金金属属玻玻璃璃的拉（伸也强称度可非高晶态合金）是Duwez等人在
达139～604年GP首a，先并发具有现很的好，的 他们通过对熔融
耐A腐u蚀80性S能i2、0优合异金的快软磁速性冷能淬、获得了金属玻璃。
优良的超导性能、较高的热稳 金属玻璃保留了液态金属
定性和较低的表面活性，已经 的短程有序的类似原子簇的 或可望应用于机械结构材料、 结构 ，微观组织中不存在晶 磁性材料、声学材料、仿生材 界、位错和偏析等缺陷，其 料、光学材料、体育器材以及 结构类似于普通玻璃 。 电子材料等多个方面。
《材料成型理论基础》课程大纲
《材料成型理论基础》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：材料成型理论基础英文名称：Fundamentals for Materials Processing二、课程编码及性质课程编码：0809554课程性质：专业核心课，必修课三、学时与学分总学时：56学分：3.5四、先修课程工程材料学、传热学、流体力学、材料成形工艺基础五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供材料科学与工程专业和电子封装技术专业学生选修。
六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是本专业的核心课程之一，其教学目的主要包括：1．让学生对液态成形、连接成形、固态塑性成形及高分子材料成形的基本过程有较全面、深入的理解，掌握其基本原理和规律。
2．了解液态金属的结构和性质；掌握液态金属凝固的基本原理，冶金处理及其对产品性能的影响。
3．掌握材料成形中化学冶金基本规律和缺陷的形成机理、影响因素及防止措施。
4．掌握塑性成形过程中的应力与应变的基础理论，金属流动的基本规律及其应用。
5．了解高分子材料的组织转变及流动、成形的基本规律。
表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点：教学重点：1）本课程以材料成形工艺的理论基础为主线，根据成形加工过程中材料所处或经历的状态，分为液态凝固成形、固态塑性成形、连接成形、塑料注射成形等几类，学习材料在成形过程中的组织结构、性能、形状随外在条件的不同而变化的规律性知识。
2）本课程着重利用前期所学的物理、化学等基础理论，以及传热学、流体力学等专业基础理论知识，学习液态成形、塑性成形、连接成形等基本材料成形技术的内在规律和物理本质，包括共性原理，同时也要注重个性规律性认识。
3）课程将重点或详细介绍三种主要材料成形方法中的主要基础理论和专门知识，阐述这些现象的本质，揭示变化的规律。
而对次要成形方法的基本原理或发展状况等只作简要介绍或自学。
4）重点学习的章节内容包括：第4章“单相合金与多相合金的凝固”（6学时）、第5章“铸件凝固组织的形成与控制”（6学时）、第7章“焊缝及其热影响区的组织和性能”（6学时）、第8章“成形过程的冶金反应原理”（6学时）、第11章“应力与应变理论”（4学时）、第12章“屈服准则”（6学时）。
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2020/6/14
10
四、金属玻璃
• 金金属属玻玻璃璃的拉（伸也强称度可非高晶态合金）是Duwez等人在
达139～604年GP首a，先并发具有现很的好，的 他们通过对熔融
耐A腐u蚀80性S能i2、0优合异金的快软磁速性冷能淬、获得了金属玻璃。
优良的超导性能、较高的热稳 金属玻璃保留了液态金属
定性和较低的表面活性，已经 的短程有序的类似原子簇的 或可望应用于机械结构材料、 结构 ，微观组织中不存在晶 磁性材料、声学材料、仿生材 界、位错和偏析等缺陷，其 料、光学材料、体育器材以及 结构类似于普通玻璃 。 电子材料等多个方面。
定向凝固的单晶叶片是通过对多 晶的螺旋选择生长凝固而成的。
等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较
柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶
2020/6/14
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2020/6/14
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• 对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通
过在铸件的不同部位放置冷铁实现。这时
凝固界面的温度梯度很大，糊状凝固区域
明显减小，因此补缩得到改善，铸件完整
性变好，同时铸件的机械性能也得以提高
。 2020/6/14
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定向凝固装置的工作过程大致为： 材料在顶部的熔化室中熔化然后 浇注到模型中，模型在一端急冷， 可控拉伸装置保证了金属在模具 中的定向凝固。
快速凝固的Al-Fe-V-Si合金组织
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形成金属玻璃的临界厚度随年代的变化关系
部分块体金属玻璃的实物照片
能否发生玻璃化转变的影 响因素主要有冷却速率、形 核密度和材料特性。
对应于一定的合金熔体， 欲发生玻璃化转变需要有足 够高的冷却速率。
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第二节 失重条件下的凝固
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二、快速凝固方法
13、、把使金材属料或的合一金个熔薄体 2层分、快散使速成液熔小流化液保并滴持与一无个限很 小大也的散称截 热之面 器为雾，紧并化密与技接高术触效、，冷乳化
却散技（热术散器或热通喷）常射器是成接同形触一技，种术如材，熔以 体料使旋或这转相些法关小或的液薄材滴截料在面，凝连如固续电前铸达 造子到法或很。激大光的束过表冷面度脉。冲/移 动熔化。
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T1
三、快速凝固显微组织
T1 ＜ T2
凝固在很大的过冷度和很 高的冷却速率下进行，凝固 组织中会出现非平衡相 。
对铸件和铸锭，通常 GR可=以10把-3~温1度01K梯/s度，G但和对生雾长 速化率法R，联G系R起=1来02，~1用06GKR/s空。间 表相示应显地微，组偏织析的间变距化λ从和枝晶 间10距00（μ偏m减析小间到距0）.0的1μ变m化。：
GR dTdxdTT dxdt dt
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图 6 - 4 图 N6-i7– 1 0Zant-.1%.8Catu%A在g过合冷金在度 不为 同a冷） 却8 9速K率，下b 的） 显1 5微0 K组，织c ） 1 7 4 K (a、b、c、d和生d长）速2 6率0 分K 别时 为的 1凝2m固m组/s、织3（.54光mm学/s显、微2.0镜6m照m片/s、）0.48mm/s)
ห้องสมุดไป่ตู้
界面推进速率大于10 mm/s 冷却速率达到105~1010 K/s
快
固-液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散速率时，晶体
将来不及转移成分，界面固、液相成分不再平衡。
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快速凝固 的目的
形成
超细组织 过饱和固溶体 亚稳相或新的结晶相 微晶、纳米晶或金属玻璃
获得优异的 强度、塑性、 耐磨性、耐腐蚀性 等。
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坩埚及金属 液态金属
加热线圈 气体
急冷条带
旋转辊
表雾熔面化体熔法旋化的转法装法置
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深过冷法
深过冷法是另一类快速凝固方法，
其核心是: 熔融金玻液璃中的净异化质法形核核心。
消除合
通过熔融玻璃对合金液的净化作用，消除合金液
中的异质形核核心。
悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）
通过无容器熔炼消除合金熔体与容器接触对形核 的促进作用。
失重条件（也称微重力条 件）的凝固与重力条件下完 全不同，如无容器条件下的 形核以及由温度梯度（或密 度梯度）引起的对流等，使 得不同成分的液体能够长时 间共存，因此可以减少沿凝 固方向的成分偏析，还可以 利用微重力条件制备难混熔 偏晶合金。
地面 条件 空间 条件
不 同 条 件 下 A l-C u 合 金 的 轴 向 C u 含 量 分 布 曲 线
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失重条件下材料的凝固实验在地面富上Co可相以在通富过Cu
悬浮熔炼 和 落管技术 得到 。
基体上均匀分 布
不同过冷度（ΔT）下Cu84Co16合金电磁悬浮试样的背散射组织
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第三节 定向凝固
• 定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生 长和单晶铸造等方面都有重要的意义。
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第一节 快速凝固 第二节 失重条件下的凝固 第三节 定向凝固
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第一节 快速凝固
一、快速凝固简介 二、快速凝固方法 三、快速凝固显微组织 四、金属玻璃
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一、快速凝固简介
• 快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得 很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。