快速凝固晶态合金的组织与特征.ppt

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1、2023/2/171（3）快速凝固的产物及其特征）快速凝固的产物及其特征快速凝固使金属材料的快速凝固使金属材料的结构发生了前所未有的变化结构发生了前所未有的变化可形成具有可形成具有特殊性能的新材料特殊性能的新材料。2023/2/172 形成过饱和固溶体形成过饱和固溶体将液态合金以将液态合金以高速急冷快速地穿过液高速急冷快速地穿过液/固两相区固两相区，就阻止了，就阻止了第二相第二相的生核和长大。使溶质原子以的生核和长大。使溶质原子以超常规溶解度超常规溶解度陷在陷在相晶格中。相晶格中。这种效应最早是这种效应最早是FalkenhagenFalkenhagen和和HofmannHofmann两人在研究

2、铝合金急两人在研究铝合金急冷产物时发现的。冷产物时发现的。表表2-12-1列出了几种合金元素在铝中的扩展固容度。列出了几种合金元素在铝中的扩展固容度。2023/2/173表表2-1 部分合金元素在部分合金元素在Al中平衡固容度和扩展固容度（中平衡固容度和扩展固容度（%）2023/2/174Luo和和Duwez等人曾对各种合金元素在镍基和钴基中固溶度等人曾对各种合金元素在镍基和钴基中固溶度的做系统研究后发现：的做系统研究后发现：无论怎样提高急冷速度，固溶度的无论怎样提高急冷速度，固溶度的扩展量是有限的扩展量是有限的。这个。这个限限度度是平衡凝固时的是平衡凝固时的共晶成分或包晶成分共晶成分或包晶成

3、分。例如，例如，Fe-C合金中碳的扩展固容度极限是合金中碳的扩展固容度极限是16.2%，相当于共，相当于共晶成分。晶成分。当合金的溶质浓度当合金的溶质浓度超过超过共晶成分或者包晶成分时，快速凝固共晶成分或者包晶成分时，快速凝固时就有时就有中间平衡相快速生核中间平衡相快速生核，并且这种中间平衡相，并且这种中间平衡相不能不能被抑制被抑制。当过饱和固溶度低于上述极限固溶度时，与平衡条件下的当过饱和固溶度低于上述极限固溶度时，与平衡条件下的晶晶格常数格常数与与固溶度固溶度之间呈之间呈线性关系线性关系的规律相同。的规律相同。当达到极限固溶度时，晶格常数保持不变。当达到极限固溶度时，晶格常数保持不变。20

4、23/2/1752.超细的晶粒度随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小，可以获得微随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小，可以获得微晶甚至纳米晶。晶甚至纳米晶。快速凝固合金比常规合金低几个数量级的晶粒尺寸，快速凝固合金比常规合金低几个数量级的晶粒尺寸，一般为一般为0.11.0m0.11.0m在在Ag-CuAg-Cu（Cu=50%Cu=50%）合金中，观察到细至）合金中，观察到细至3nm3nm的晶的晶粒。粒。原因：很大过冷度下达到很高形核率原因：很大过冷度下达到很高形核率 2023/2/1763.3.极少偏析或无偏析极少偏析或无偏析当当G/v值极低值极低且且生长速度很小时生长速度很小时，枝晶尖端温度枝晶尖端

5、温度非常接近于液相线温度。非常接近于液相线温度。如果如果温度梯度增大且慢速生长温度梯度增大且慢速生长时，枝晶尖端将一直降至平衡的固相线温时，枝晶尖端将一直降至平衡的固相线温度，此时的凝固前沿成为平界面，固相成分为原始成分，即达到稳态生度，此时的凝固前沿成为平界面，固相成分为原始成分，即达到稳态生长；长；如果如果生长速度加剧生长速度加剧，枝晶端部的温度开始时上升，枝晶端部的温度开始时上升，当生长速度当生长速度足够高足够高时，枝晶端部的温度会重新下降到平衡的固相线温度。时，枝晶端部的温度会重新下降到平衡的固相线温度。此时的固相成分又回到合金的原始成分，凝固前沿亦重新成为平界面，此时的固相成分又回到

6、合金的原始成分，凝固前沿亦重新成为平界面，表明合金凝固进入了表明合金凝固进入了“绝对稳定界限绝对稳定界限”2023/2/177如果凝固速率不仅达到了如果凝固速率不仅达到了“绝对稳定绝对稳定”界限，而且超过了界限，而且超过了界面上溶质原子的扩散速率，即进入完全的界面上溶质原子的扩散速率，即进入完全的“无偏析、无无偏析、无扩散凝固扩散凝固”时，可在铸件的全部体积内获得完全不存在任时，可在铸件的全部体积内获得完全不存在任何偏析的合金何偏析的合金如果冷速不够快，局部区也会出现胞状晶或树枝晶的组织，如果冷速不够快，局部区也会出现胞状晶或树枝晶的组织，但是这些胞状晶或树枝晶与常规合金相比已大大细化，因但是

7、这些胞状晶或树枝晶与常规合金相比已大大细化，因此表现出来的显微偏析的分散度也很大此表现出来的显微偏析的分散度也很大 2023/2/1784.4.形成亚稳相（非平衡相）形成亚稳相（非平衡相）亚稳相的晶体结构可能与平衡状态图上相邻的某一中间相的亚稳相的晶体结构可能与平衡状态图上相邻的某一中间相的结构极为相似，因此可看成是在快速冷却和大过冷度条结构极为相似，因此可看成是在快速冷却和大过冷度条件下中间相亚稳浓度范围扩大的结果。件下中间相亚稳浓度范围扩大的结果。也可能形成在平衡状态图上完全不出现的亚稳相。也可能形成在平衡状态图上完全不出现的亚稳相。出现何种亚稳组织，决定于不同相析出时所需的热力学及动出现

8、何种亚稳组织，决定于不同相析出时所需的热力学及动力学条件的竞争，当然也就决定于冷却速度和过冷度力学条件的竞争，当然也就决定于冷却速度和过冷度 2023/2/1795.5.高的点缺陷密度高的点缺陷密度固态金属中点缺陷的密度随着温度的上升而增大固态金属中点缺陷的密度随着温度的上升而增大 在液态下原子有序排列程度的突然降低，液态金在液态下原子有序排列程度的突然降低，液态金属中的属中的“缺陷密度缺陷密度”比同温度下的固态金属高得比同温度下的固态金属高得多多在快速凝固的过程中，会较多地保存在固态金属在快速凝固的过程中，会较多地保存在固态金属中中 2023/2/17106 6 形成非晶态合金形成非晶态合金

9、液态金属为短程有序排列结构，原子有极高的迁移速率。采液态金属为短程有序排列结构，原子有极高的迁移速率。采用极快的冷却速率冷却，可能导致用极快的冷却速率冷却，可能导致金属在凝固后保留液金属在凝固后保留液态时结构态时结构。Duwez等人用液态急冷法使接近共晶成分的等人用液态急冷法使接近共晶成分的Au-Si合金凝固合金凝固成了非晶态材料。成了非晶态材料。目前所能达到的冷却速率，只能使很少一部分合金能够抑制目前所能达到的冷却速率，只能使很少一部分合金能够抑制结晶过程而形成非晶态。结晶过程而形成非晶态。原则上讲，只要有更高的冷却速率，就可以将所有合金系的原则上讲，只要有更高的冷却速率，就可以将所有合金系

10、的合金凝固成非晶态。合金凝固成非晶态。2023/2/1711关于形成非晶态合金的条件，一般认为有以下两点：关于形成非晶态合金的条件，一般认为有以下两点：A、由液态急冷获得的非晶态合金中大部分是由、由液态急冷获得的非晶态合金中大部分是由金属和半金金属和半金属组成属组成，并且半金属的原子百分比大约在，并且半金属的原子百分比大约在20%左右。左右。周期表中的半金属和非金属，如周期表中的半金属和非金属，如IV B族（族（Si，Ge等）与等）与VI B族族(S,Se,Te等等)容易非晶化，由这些元素构成的合金（如容易非晶化，由这些元素构成的合金（如As-Te-Se,As-Si-Te等）也容易非晶化。等）

11、也容易非晶化。2023/2/1712B、从状态图上看，与纯金属元素的熔化温度相比较，、从状态图上看，与纯金属元素的熔化温度相比较，共晶共晶温度较低的合金温度较低的合金容易形成非晶态合金。容易形成非晶态合金。通常非晶态材料是指无机或有机玻璃等，现在又扩大到非晶通常非晶态材料是指无机或有机玻璃等，现在又扩大到非晶态金属。态金属。非晶态金属具有如下主要特征：非晶态金属具有如下主要特征：偏析倾向减小偏析倾向减小 随着凝固速率的增大，溶质的分配系数将偏随着凝固速率的增大，溶质的分配系数将偏离平衡。离平衡。根据根据Aziz理论模型，不论溶质分配系数理论模型，不论溶质分配系数k1还是还是k1，实际，实际溶质

12、分配系数总是随着凝固速率的增大而趋近于溶质分配系数总是随着凝固速率的增大而趋近于1，使偏，使偏析倾向减小或无偏析。析倾向减小或无偏析。2023/2/1713在晶体金属中，一般所见到的晶界、孪晶、层错等局部的不在晶体金属中，一般所见到的晶界、孪晶、层错等局部的不均匀性，在非晶态金属中不会出现，它的组织比较均匀均匀性，在非晶态金属中不会出现，它的组织比较均匀且没有结晶异向性，所以非晶态金属是各向同性的材料。且没有结晶异向性，所以非晶态金属是各向同性的材料。形成特殊性能形成特殊性能 当冷却速率极高时，结晶过程将被完全抑制，当冷却速率极高时，结晶过程将被完全抑制，获得非晶态的组织。获得非晶态的组织。玻

13、璃态金属是快速凝固技术应用的成功实例，它具有的特殊玻璃态金属是快速凝固技术应用的成功实例，它具有的特殊力学性能如表力学性能如表2-2所列。所列。2023/2/1714同时也可获得特殊的物理性能，如超导特性、软磁特性及抗同时也可获得特殊的物理性能，如超导特性、软磁特性及抗化学腐蚀特性。化学腐蚀特性。其中非晶金属玻璃作为磁屏蔽材料和变压器机芯材料在工业其中非晶金属玻璃作为磁屏蔽材料和变压器机芯材料在工业上得到应用。上得到应用。用非晶材料取代硅钢片制作变压器可使其内耗大大减小，解用非晶材料取代硅钢片制作变压器可使其内耗大大减小，解决了变压器在特殊条件下使用时的发热问题。决了变压器在特殊条件下使用时的

14、发热问题。2023/2/1715玻璃态玻璃态金属的金属的一些力一些力学性能学性能2023/2/1716组织及结构极其可贵的组织及结构极其可贵的优异性能优异性能。扩大的固溶度、超细的晶粒度以及超细和高分散度的析出相，扩大的固溶度、超细的晶粒度以及超细和高分散度的析出相，在机械性能方面表现出在机械性能方面表现出高强度及高韧性高强度及高韧性的特点，许多快凝合金的特点，许多快凝合金具有超塑性。具有超塑性。固溶极限的扩大，可以固溶极限的扩大，可以避免某些严重危害使用性能的第二相的避免某些严重危害使用性能的第二相的析出析出 如在镍基高温合金中可遏制碳化物的析出；在铬不锈钢中可如在镍基高温合金中可遏制碳化物

15、的析出；在铬不锈钢中可提高含铬量而不致引起相的析出，显著改善了耐蚀性能。提高含铬量而不致引起相的析出，显著改善了耐蚀性能。消除了偏析，消除了偏析，疲劳裂纹的开始得以推迟疲劳裂纹的开始得以推迟，在高温合金中使早期，在高温合金中使早期熔化温度提高熔化温度提高7010070100，显著地提高了蠕变抗力。，显著地提高了蠕变抗力。快凝的不锈钢中快凝的不锈钢中超细超细的氮化物、硼化物等析出相，形成极强的的氮化物、硼化物等析出相，形成极强的钉扎钉扎效应，因而效应，因而抗晶粒长大抗晶粒长大的性能极佳。的性能极佳。使不锈钢具有良好的使不锈钢具有良好的抗辐照性能抗辐照性能及在及在高浓度氦气氛中不易膨胀高浓度氦气氛中不易膨胀成为较理想的核反应堆内壁结构材料。成为较理想的核反应堆内壁结构材料。可以发展一系列可以发展一系列新型的合金新型的合金材料材料2023/2/1717作作 业业液相成形课程学习思考液相成形课程学习思考（选做题，电子版，发邮件）（选做题，电子版，发邮件）2023/2/1718作业作业1 1、聪明的金属，聪明的材料、聪明的金属，聪明的材料 液体金属自我调节的巧妙之处，在加工液体金属自我调节的巧妙之处，在加工过程中如何利用之、控制之过程中如何利用之、控制之