1由熔體制備材料的技術(shù)

1、1l金屬及合金金屬及合金l玻璃玻璃l高聚物（選學(xué)）高聚物（選學(xué)）2l凝固與結(jié)晶過程凝固與結(jié)晶過程l結(jié)晶的基本條件結(jié)晶的基本條件l晶核的形成與長大晶核的形成與長大l凝固理論的應(yīng)用凝固理論的應(yīng)用l典型的非鐵金屬及合金典型的非鐵金屬及合金3l凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。 l 若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之l 為結(jié)晶。為結(jié)晶。l凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。和壽命。l凝固是相變過程，可為其它相變的研究凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。提供基礎(chǔ)。41 液態(tài)材料的結(jié)構(gòu)液態(tài)材料的結(jié)構(gòu) 結(jié)

2、構(gòu)：長程無序而短程有序。結(jié)構(gòu)：長程無序而短程有序。 特點（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較特點（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混亂。小、原子排列較混亂。52 過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象 supercoolingsupercooling （1）過冷：液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。）過冷：液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。（2）過冷度：液體材料的理論結(jié)晶溫度）過冷度：液體材料的理論結(jié)晶溫度(Tm) 與其實際溫度之差。與其實際溫度之差。 T=Tm-T (見冷卻曲線見冷卻曲線) 注注: 過冷是凝固的必要條件過冷是凝固的必要條件 (凝固過程總是在一定的過冷度

3、下進(jìn)行凝固過程總是在一定的過冷度下進(jìn)行)。 63 結(jié)晶過程結(jié)晶過程（1）結(jié)晶的基本過程：）結(jié)晶的基本過程：形核長大形核長大。（見示意圖）。（見示意圖）（2）描述結(jié)晶進(jìn)程的兩個參數(shù)）描述結(jié)晶進(jìn)程的兩個參數(shù)形核率形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用N表示。表示。長大速度長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間 內(nèi)遷移的距離。用內(nèi)遷移的距離。用G表示。表示。92 結(jié)構(gòu)條件結(jié)構(gòu)條件（1）液態(tài)結(jié)構(gòu)模型）液態(tài)結(jié)構(gòu)模型 微晶無序模型微晶無序模型 拓?fù)錈o序模型拓?fù)錈o序模型 （2）結(jié)構(gòu)起

4、伏（相起伏）：液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團(tuán)）結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）：液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團(tuán) 的時隱時現(xiàn)現(xiàn)象。是結(jié)晶的必要條件（之二）。的時隱時現(xiàn)現(xiàn)象。是結(jié)晶的必要條件（之二）。出出現(xiàn)現(xiàn)幾幾率率結(jié)構(gòu)起伏大小結(jié)構(gòu)起伏大小10均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個體積內(nèi)無軌則均勻形成。均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個體積內(nèi)無軌則均勻形成。非均勻形核：新相晶核依附于其它物質(zhì)擇優(yōu)形成。非均勻形核：新相晶核依附于其它物質(zhì)擇優(yōu)形成。 1 均勻形核均勻形核 （1）晶胚形成時的能量變化）晶胚形成時的能量變化 GVGv+S (4/3)r3Gv+4r2 2003 Brooks/Cole, a divisio

5、n of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.111 均勻形核均勻形核 (2) 臨界晶核臨界晶核 dG/dr=0 rk=-2/Gv 臨界晶核：半徑為臨界晶核：半徑為rk的晶胚。的晶胚。 (3) 臨界過冷度臨界過冷度 rk=-2Tm/LmT 臨界過冷度：形成臨界晶核時的過冷度。臨界過冷度：形成臨界晶核時的過冷度。Tk. TTk是結(jié)晶的必要條件。是結(jié)晶的必要條件。121 均勻形核均勻形核 （4）形核功與能量起伏）形核功與能量起伏GkSk/3臨界形核功：形成臨界晶核時需額外對

6、形核所做的功。臨界形核功：形成臨界晶核時需額外對形核所做的功。能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏 離平均能量水平而高低不離平均能量水平而高低不 一的現(xiàn)象。一的現(xiàn)象。（是結(jié)晶的必要條件之三）。（是結(jié)晶的必要條件之三）。 131 均勻形核均勻形核 （5）形核率與過冷度的關(guān)系）形核率與過冷度的關(guān)系N=N1(GK) . N2( GA) 由于由于N受受N1(形核）形核）. N2（擴(kuò)散）兩個因素控制，形核率與過冷（擴(kuò)散）兩個因素控制，形核率與過冷度之間是呈拋物線的關(guān)系。度之間是呈拋物線的關(guān)系。142 非均勻形核非均勻形核 （1）模型：外來物質(zhì)為一平面，固相晶胚為一球冠。）模型

7、：外來物質(zhì)為一平面，固相晶胚為一球冠。 （2）自由能變化：表達(dá)式與均勻形核類似。）自由能變化：表達(dá)式與均勻形核類似。2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.152 非均勻形核非均勻形核 （3）臨界形核功）臨界形核功 計算時利用球冠體積、表面積表達(dá)式，結(jié)合平衡關(guān)系計算時利用球冠體積、表面積表達(dá)式，結(jié)合平衡關(guān)系 lw=sw+slcos 計算能量變化和臨界形核功。計算能量變化和臨界形核功。Gk非非/Gk=(2-3co

8、s+cos3)/4 a =0時，時，Gk非非0，雜質(zhì)本身即為晶核；，雜質(zhì)本身即為晶核； b 1800時時, Gk非非99.95%)99.95%)、 T2(T2(w wCuCu99.9%)99.9%)、 T3(T3(w wCuCu99.7%)99.7%)，主要用于配制銅合金，主要用于配制銅合金，制作導(dǎo)電、導(dǎo)制作導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料及耐蝕器件等。熱材料及耐蝕器件等。 48普通黃銅：普通黃銅：Cu-ZnCu-Zn二元合金，產(chǎn)品代號二元合金，產(chǎn)品代號H HCuCu，如，如H68H68表示含表示含Cu68%Cu68%的銅鋅合金的銅鋅合金。單相黃銅：單相黃銅：w wZnZn39%39%稱為，強(qiáng)度低、塑性好，冷塑

9、性加工成板材、稱為，強(qiáng)度低、塑性好，冷塑性加工成板材、線材、管材等，常用線材、管材等，常用H68H68、H70H70、H80H80，主要用作彈殼和精密儀器；，主要用作彈殼和精密儀器；兩相黃銅：兩相黃銅：w wZnZn393945%45%，熱塑性好，一般熱軋成棒材、板材，常用，熱塑性好，一般熱軋成棒材、板材，常用H59H59、H62H62等，主要用作水管、油管、散熱器、螺釘。普通黃銅具等，主要用作水管、油管、散熱器、螺釘。普通黃銅具有良好的耐蝕性，但冷加工后的黃銅在海水、濕氣、氨的環(huán)境中有良好的耐蝕性，但冷加工后的黃銅在海水、濕氣、氨的環(huán)境中容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火。容易產(chǎn)生應(yīng)力腐

10、蝕開裂，應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火。 49特殊黃銅：特殊黃銅：普通黃銅中加入普通黃銅中加入AlAl、SiSi、PbPb、SnSn、MnMn、FeFe、NiNi等，稱為等，稱為鋁黃銅、硅黃銅、鉛黃銅鋁黃銅、硅黃銅、鉛黃銅等。等。 合金元素能提高合金的強(qiáng)度，合金元素能提高合金的強(qiáng)度，AlAl、SnSn、MnMn、NiNi能提高能提高耐蝕性和耐磨性，耐蝕性和耐磨性，MnMn提高耐熱性，提高耐熱性，SiSi改善鑄造性能，改善鑄造性能，PbPb改善切削性能。其改善切削性能。其表示方法表示方法為：為：H H主加元素符號銅主加元素符號銅及各合金元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（及各合金元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w w100100），如）

11、，如HPb59-1HPb59-1表示含表示含w wCuCu59%59%、w wPbPb1%1%鉛黃銅鉛黃銅。常用代號有常用代號有HPb59-1HPb59-1、HSn90-1HSn90-1等，主要用于制造冷凝管、齒輪、螺旋槳、鐘等，主要用于制造冷凝管、齒輪、螺旋槳、鐘表零件等。表零件等。 50牌號表示：牌號表示：Z Z銅元素化學(xué)符號主加元素銅元素化學(xué)符號主加元素的化學(xué)符號及平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（的化學(xué)符號及平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w w100100）其它元素的化學(xué)符號及平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)其它元素的化學(xué)符號及平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w w100100），如），如ZCuZn38ZCuZn38表示表示w wZnZn38%38%、余量、

12、余量為銅的鑄造普通黃銅。為銅的鑄造普通黃銅。 515253青銅：青銅：除除ZnZn以外，所有以外，所有CuCu合金的總稱。合金的總稱。 根據(jù)所加主要合金元素根據(jù)所加主要合金元素SnSn、AlAl、BeBe、SiSi、PbPb等，青銅等，青銅分為分為錫青銅錫青銅、鋁青銅鋁青銅、鈹青銅鈹青銅、硅青銅硅青銅、鉛青銅鉛青銅等。等。代號：代號：Q+Q+主加元素符號及平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)主加元素符號及平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)( (w w100100) )其它其它元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)( (w w100100) )表示，如表示，如QSn4-3QSn4-3表示含表示含w wSnSn4%4%、w wZnZn3%3%的錫青銅的錫青銅。54 錫青銅的性能受錫含量的顯著影響：錫青銅的性能受錫含量的顯著影響：w wSnSn5