凝固加工和控制

1、TSINGHUA UNIVERSITY1凝固加工及控制凝固加工及控制金屬從晶體、納米到非晶金屬從晶體、納米到非晶基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心 李雙壽李雙壽TSINGHUA UNIVERSITY2內(nèi)容內(nèi)容 一、凝固與文明歷史一、凝固與文明歷史 二、有關(guān)金屬凝固的基本概念二、有關(guān)金屬凝固的基本概念 三、凝固加工和凝固控制三、凝固加工和凝固控制 四、大塊非晶鎂合金貯氫材料制四、大塊非晶鎂合金貯氫材料制備裝備和技術(shù)演示備裝備和技術(shù)演示TSINGHUA UNIVERSITY3一、凝固與文明歷史一、凝固與文明歷史TSINGHUA UNIVERSITY4 廣義上的凝固：從化學(xué)角度看，熔化廣義上的凝固：從

2、化學(xué)角度看，熔化-凝固技凝固技術(shù)是以物質(zhì)的物理、化學(xué)變化為基礎(chǔ)。術(shù)是以物質(zhì)的物理、化學(xué)變化為基礎(chǔ)。 兩大類：兩大類： 一類是以物質(zhì)的物理變化為依據(jù)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)；一類是以物質(zhì)的物理變化為依據(jù)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)； 另一類則是以物質(zhì)的化學(xué)變化為依據(jù)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)。另一類則是以物質(zhì)的化學(xué)變化為依據(jù)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)。 三種基本技術(shù)：三種基本技術(shù)： 從固體半流體中蒸發(fā)水；從固體半流體中蒸發(fā)水； 冷卻熔點(diǎn)在常溫以上的熱液體；冷卻熔點(diǎn)在常溫以上的熱液體； 借助化學(xué)反應(yīng)得到固體物質(zhì)產(chǎn)品。借助化學(xué)反應(yīng)得到固體物質(zhì)產(chǎn)品。TSINGHUA UNIVERSITY5紙的制造：半流體去水技術(shù)紙的制造：半流體去水技術(shù) 公元前公元前800

3、0年左右，歷史上最古老的城市所使年左右，歷史上最古老的城市所使用的建筑材料泥磚即是用這種方法制得的。用的建筑材料泥磚即是用這種方法制得的。 黏土與水混合能制成各種形狀的物品，干燥后可以黏土與水混合能制成各種形狀的物品，干燥后可以使用。使用。 中國的蔡倫完善了從木漿中制造纖維紙的技術(shù)，中國的蔡倫完善了從木漿中制造纖維紙的技術(shù)，所采用的工藝原理正是利用纖維的物理變化而所采用的工藝原理正是利用纖維的物理變化而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的。 首先將木纖維或其它植物纖維與水混合搗成纖維泥首先將木纖維或其它植物纖維與水混合搗成纖維泥漿，加入漂白劑漂白，再用特制的篩子將纖維泥漿漿，加入漂白劑漂白，再用特制的篩子將纖維泥漿

4、中的碎片纖維撈出，并使其成為薄片狀晾干。中的碎片纖維撈出，并使其成為薄片狀晾干。 TSINGHUA UNIVERSITY6金屬的冶煉、玻璃的制造：相變金屬的冶煉、玻璃的制造：相變 通常情況下，物質(zhì)首先被加熱到其熔點(diǎn)以上，使其熔化為通常情況下，物質(zhì)首先被加熱到其熔點(diǎn)以上，使其熔化為液體，然后將液體置于一定形狀的鑄模中進(jìn)行冷卻，當(dāng)物液體，然后將液體置于一定形狀的鑄模中進(jìn)行冷卻，當(dāng)物質(zhì)冷卻到室溫時(shí)，凝固自動(dòng)發(fā)生。質(zhì)冷卻到室溫時(shí)，凝固自動(dòng)發(fā)生。 主要適用于那些在常溫下容易成為耐久固體的物質(zhì)。主要適用于那些在常溫下容易成為耐久固體的物質(zhì)。 銅是在大約公元前銅是在大約公元前4000年左右第一個(gè)被提取的金屬

5、；青銅是公元前年左右第一個(gè)被提取的金屬；青銅是公元前3000年被制成的銅合金。公元前年被制成的銅合金。公元前1200年以后，鐵取代青銅成為最年以后，鐵取代青銅成為最重要的金屬。冶煉有用金屬時(shí)：重要的金屬。冶煉有用金屬時(shí)： 首先，大多數(shù)金屬以礦物形式存在，必須將其還原為金屬原子；首先，大多數(shù)金屬以礦物形式存在，必須將其還原為金屬原子； 其次，金屬必須被加熱到其熔點(diǎn)以上使其成為液體，以利于除去雜質(zhì)其次，金屬必須被加熱到其熔點(diǎn)以上使其成為液體，以利于除去雜質(zhì)并鑄造，這需要非常高的溫度。并鑄造，這需要非常高的溫度。 大約在公元前大約在公元前2500年，古埃及人開始制造玻璃。利用沙、純堿或植年，古埃及人

6、開始制造玻璃。利用沙、純堿或植物灰、石灰的混合物制成的，純堿或植物灰主要用于降低混合物的物灰、石灰的混合物制成的，純堿或植物灰主要用于降低混合物的熔點(diǎn)，而石灰則使玻璃在水的存在下處于穩(wěn)定狀態(tài)。熔點(diǎn)，而石灰則使玻璃在水的存在下處于穩(wěn)定狀態(tài)。 常溫下，玻璃是一種非晶體，沒有確定的熔點(diǎn)。當(dāng)被加熱后，玻璃逐常溫下，玻璃是一種非晶體，沒有確定的熔點(diǎn)。當(dāng)被加熱后，玻璃逐漸熔化，到漸熔化，到1000e時(shí)成為蘇打時(shí)成為蘇打)玻璃，冷卻到玻璃，冷卻到500e以下則凝固，繼續(xù)冷以下則凝固，繼續(xù)冷卻到室溫則成為固體玻璃。卻到室溫則成為固體玻璃。TSINGHUA UNIVERSITY7陶瓷和塑料：借用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行熔化

7、陶瓷和塑料：借用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行熔化-凝固凝固 當(dāng)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，凝固也隨之發(fā)生，從而生產(chǎn)出具有當(dāng)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，凝固也隨之發(fā)生，從而生產(chǎn)出具有耐久性的固體物。耐久性的固體物。 主要用于那些常溫下為液體的物質(zhì)。主要用于那些常溫下為液體的物質(zhì)。 黏土同水混合后容易成型，干燥后即為固體，但這種固體物質(zhì)黏土同水混合后容易成型，干燥后即為固體，但這種固體物質(zhì)沒有經(jīng)過化學(xué)變化處理，遇水之后即變軟，很難被長(zhǎng)久保存。沒有經(jīng)過化學(xué)變化處理，遇水之后即變軟，很難被長(zhǎng)久保存。為了得到更堅(jiān)硬又防水的固體物，必須經(jīng)過一系列化學(xué)變化以為了得到更堅(jiān)硬又防水的固體物，必須經(jīng)過一系列化學(xué)變化以改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能，這一過程是在高

8、溫狀態(tài)下進(jìn)行的，被改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能，這一過程是在高溫狀態(tài)下進(jìn)行的，被稱為焙燒，所得的固體物，稱作陶瓷。稱為焙燒，所得的固體物，稱作陶瓷。 日本的陶瓷被放射性碳鑒定為是日本的陶瓷被放射性碳鑒定為是1.07萬年前的人工制品，陶磚在萬年前的人工制品，陶磚在公元前公元前3000年的中東即被使用。年的中東即被使用。 無論塑料多么神奇，它所依據(jù)的基本技術(shù)是一致的，即通過化無論塑料多么神奇，它所依據(jù)的基本技術(shù)是一致的，即通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)分子的聚合。學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)分子的聚合。 1838年，年，Charles Goodyer將硫和從橡膠樹上得到的天然橡膠放將硫和從橡膠樹上得到的天然橡膠放在一起進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，制得

9、一種熱固性聚合物，由此揭開了高分在一起進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，制得一種熱固性聚合物，由此揭開了高分子材料研究的歷史，合成塑料作為其中的一種也隨之開始起步和子材料研究的歷史，合成塑料作為其中的一種也隨之開始起步和發(fā)展。發(fā)展。TSINGHUA UNIVERSITY8二、有關(guān)金屬凝固的基本概念二、有關(guān)金屬凝固的基本概念TSINGHUA UNIVERSITY9 凝固：金屬和合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。凝固：金屬和合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。 主要是晶粒的生成和長(zhǎng)大過程。主要是晶粒的生成和長(zhǎng)大過程。 晶體和非晶體晶體和非晶體 晶體晶體crystal：其內(nèi)部原子在空間有規(guī)則排列。金：其內(nèi)部原子在空間有規(guī)則排列。金屬

10、材料屬材料 非晶體非晶體non-crystal ：其內(nèi)部原子雜亂無章地不：其內(nèi)部原子雜亂無章地不規(guī)則的堆積。塑料，玻璃等規(guī)則的堆積。塑料，玻璃等TSINGHUA UNIVERSITY10液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 液態(tài)金屬由許多近程有序排列的液態(tài)金屬由許多近程有序排列的“游動(dòng)的原子集游動(dòng)的原子集團(tuán)團(tuán)”所組成所組成 原子的排列和原有的固體相似原子的排列和原有的固體相似 存在很大的能量起伏，熱運(yùn)動(dòng)很強(qiáng)存在很大的能量起伏，熱運(yùn)動(dòng)很強(qiáng) 溫度越高，原子集團(tuán)越小，游動(dòng)越快。溫度越高，原子集團(tuán)越小，游動(dòng)越快。 液態(tài)金屬具有粘度和表面張力等特性。液態(tài)金屬具有粘度和表面張力等特性。 粘度粘度vis

11、cosity:介質(zhì)中一部分質(zhì)點(diǎn)對(duì)另一部分質(zhì)點(diǎn)作相介質(zhì)中一部分質(zhì)點(diǎn)對(duì)另一部分質(zhì)點(diǎn)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力。對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力。粘度的倒數(shù)稱為流動(dòng)性粘度的倒數(shù)稱為流動(dòng)性。 表面張力表面張力surface tension:是在液體表面上平行于表面是在液體表面上平行于表面方向、且在各方向均相等的張力。方向、且在各方向均相等的張力。TSINGHUA UNIVERSITY11金屬晶體結(jié)構(gòu)金屬晶體結(jié)構(gòu) 晶格晶格crystal lattice：將每個(gè)原子看成一個(gè)小球，：將每個(gè)原子看成一個(gè)小球，把這些小球用線條連接起來形成的空間格架把這些小球用線條連接起來形成的空間格架 晶胞晶胞crystal cell：晶格

12、的最小組成單元：晶格的最小組成單元 晶格常數(shù)晶格常數(shù)lattice constant：晶胞中各棱邊的長(zhǎng)度：晶胞中各棱邊的長(zhǎng)度TSINGHUA UNIVERSITY12典型晶體結(jié)構(gòu)典型晶體結(jié)構(gòu) 體心立方晶格體心立方晶格body-centered cubic lattice, b.c.c.：Cr、Mo、V、-Fe、和、和Na等，具有較大的強(qiáng)度和較好塑性等，具有較大的強(qiáng)度和較好塑性 面心立方晶格面心立方晶格face centered cubic lattice, f.c.c.：Al、Pb、Ag、Cu、-Fe和和Ni等，具有較好的塑性等，具有較好的塑性 密排六方晶格密排六方晶格close-packed

13、 hexagonal lattice, h.c.p.：Mg、Zn、Be和和Cd等等TSINGHUA UNIVERSITY13l單晶體單晶體monocrystall多晶體多晶體polycrystal l晶粒晶粒crystal grainl晶界晶界grain boundaryTSINGHUA UNIVERSITY14TSINGHUA UNIVERSITY15 合金合金alloy ：一種金屬元素與其它金屬或非金：一種金屬元素與其它金屬或非金屬元素通過熔化或其它方法結(jié)合成具有屬元素通過熔化或其它方法結(jié)合成具有金屬金屬特性特性的物質(zhì)。的物質(zhì)。 組元組元component：組成合金最基本、獨(dú)立的：組成合金

14、最基本、獨(dú)立的單元?？梢允墙饘?、非金屬和化合物單元?？梢允墙饘?、非金屬和化合物 相相 Phase：合金中具有：合金中具有同一化學(xué)成分同一化學(xué)成分、同一同一種晶格形式種晶格形式，并以，并以界面分開界面分開的各個(gè)的各個(gè)均勻組成均勻組成部分。部分。 TSINGHUA UNIVERSITY16 組織組織structure: 用金相觀察方法看到的、用金相觀察方法看到的、涉及晶體或晶粒大小、方向、形狀、排列涉及晶體或晶粒大小、方向、形狀、排列等組成關(guān)系的金屬及合金的內(nèi)部構(gòu)造。等組成關(guān)系的金屬及合金的內(nèi)部構(gòu)造。 微觀組織微觀組織microstructure 宏觀組織宏觀組織macrostructureTSI

15、NGHUA UNIVERSITY17 固溶體固溶體solid solution：合金中一組元（溶劑，如：合金中一組元（溶劑，如Fe）溶解其它組元（溶質(zhì)，如溶解其它組元（溶質(zhì)，如C），或組元之間互相溶），或組元之間互相溶解形成均勻的固相。如鐵素體和奧氏體解形成均勻的固相。如鐵素體和奧氏體 晶格同溶劑，但是發(fā)生畸變，即晶格常數(shù)發(fā)生變化晶格同溶劑，但是發(fā)生畸變，即晶格常數(shù)發(fā)生變化 分類：間隙固溶體和置換固溶體分類：間隙固溶體和置換固溶體 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化solution strengthening：一種金屬由于與其它一：一種金屬由于與其它一種或多種合金元素形成固溶體而引起強(qiáng)（硬）度增高的現(xiàn)種或多種合

16、金元素形成固溶體而引起強(qiáng)（硬）度增高的現(xiàn)象象TSINGHUA UNIVERSITY18TSINGHUA UNIVERSITY19 金屬化合物金屬化合物intermetallics：兩組元相互作用而形成的一種具：兩組元相互作用而形成的一種具有金屬特性的物質(zhì)，如滲碳體有金屬特性的物質(zhì)，如滲碳體Fe3C 晶體結(jié)構(gòu)與兩組元均不同晶體結(jié)構(gòu)與兩組元均不同 性能：硬度高，脆性大性能：硬度高，脆性大 混合物混合物compound：是純金屬、固溶體或金屬化合物按一定：是純金屬、固溶體或金屬化合物按一定比例組成的均勻物質(zhì)，如珠光體（鐵素體滲碳體）比例組成的均勻物質(zhì)，如珠光體（鐵素體滲碳體） 晶體結(jié)構(gòu)：各組成部分仍

17、按原來的晶格形式結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)：各組成部分仍按原來的晶格形式結(jié)合 性能：決定于各組成部分的性能，及其數(shù)量、大小、分布和形態(tài)性能：決定于各組成部分的性能，及其數(shù)量、大小、分布和形態(tài)TSINGHUA UNIVERSITY20三、凝固加工和凝固控制三、凝固加工和凝固控制TSINGHUA UNIVERSITY21凝固加工凝固加工 幾乎一切金屬材料在制備、加工成形的歷程中至少幾乎一切金屬材料在制備、加工成形的歷程中至少要經(jīng)歷一次凝固過程。要經(jīng)歷一次凝固過程。 鍛件和型材在生產(chǎn)過程中首先要鑄造成坯，進(jìn)而進(jìn)行塑鍛件和型材在生產(chǎn)過程中首先要鑄造成坯，進(jìn)而進(jìn)行塑性變形及熱處理。性變形及熱處理。 鑄件生產(chǎn)過程更是完

18、全由凝固過程控制的。鑄件生產(chǎn)過程更是完全由凝固過程控制的。 凝固過程控制是新材料研制的重要手段。凝固過程控制是新材料研制的重要手段。 凝固過程的控制精度與質(zhì)量對(duì)最終的材料及其制品的性凝固過程的控制精度與質(zhì)量對(duì)最終的材料及其制品的性能、使用壽命具有決定性的影響。能、使用壽命具有決定性的影響。 金屬材料的凝固過程已不僅僅是材料的成型問題，人們金屬材料的凝固過程已不僅僅是材料的成型問題，人們更加強(qiáng)調(diào)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織的控制。更加強(qiáng)調(diào)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織的控制。TSINGHUA UNIVERSITY22TSINGHUA UNIVERSITY23 凝固加工技術(shù)種類繁多，共同追求目標(biāo)是：凝固加工技術(shù)種類繁多

19、，共同追求目標(biāo)是： 盡可能地縮短工藝流程，并實(shí)現(xiàn)工件的近終形制造；盡可能地縮短工藝流程，并實(shí)現(xiàn)工件的近終形制造； 在完成外形精確成形的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)組織的優(yōu)化，最大限在完成外形精確成形的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)組織的優(yōu)化，最大限度地發(fā)揮材料的性能潛力。度地發(fā)揮材料的性能潛力。 主要思路：主要思路： 建立建立“控形控形-控性控性(控制組織控制組織)-控制成本控制成本-控制污染控制污染”一體一體化的先進(jìn)材料制備與加工成形的理論與技術(shù)體系。化的先進(jìn)材料制備與加工成形的理論與技術(shù)體系。 采用凝固技術(shù)進(jìn)行高性能構(gòu)件的一次精確成型，從而免采用凝固技術(shù)進(jìn)行高性能構(gòu)件的一次精確成型，從而免除后續(xù)加工工序。除后續(xù)加工工序。TSI

20、NGHUA UNIVERSITY24凝固與材料結(jié)構(gòu)凝固與材料結(jié)構(gòu) 凝固過程決定了凝固過程決定了材料結(jié)構(gòu)、組織材料結(jié)構(gòu)、組織和性能，并進(jìn)而和性能，并進(jìn)而決定了使用性能決定了使用性能和使用壽命以及和使用壽命以及它的工藝性能它的工藝性能結(jié)構(gòu)可分為四個(gè)層次結(jié)構(gòu)可分為四個(gè)層次,都會(huì)影響材料的性能。都會(huì)影響材料的性能。TSINGHUA UNIVERSITY25凝固材料體系凝固材料體系l鑄冶工藝鑄冶工藝常規(guī)可控凝固常規(guī)可控凝固定向凝固定向凝固快快速凝固速凝固空間凝固空間凝固超常凝固；超常凝固；l結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料功能材料功能材料結(jié)構(gòu)功能材料；結(jié)構(gòu)功能材料；l金屬金屬(合金合金)金屬間化合物金屬間化合物金屬基復(fù)

21、合金屬基復(fù)合材料材料金屬金屬/非金屬基復(fù)合材料；非金屬基復(fù)合材料；l多晶多晶單晶單晶微晶微晶非晶。非晶。TSINGHUA UNIVERSITY26凝固控制凝固控制 溫度或冷卻速度控制：溫度或冷卻速度控制：凝固組織主要是由冷卻速度凝固組織主要是由冷卻速度和冷卻方式控制的。目前可實(shí)現(xiàn)的具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)和冷卻方式控制的。目前可實(shí)現(xiàn)的具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的凝固速度為值的凝固速度為10-4109K/s，跨越了十幾個(gè)數(shù)量，跨越了十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在這一范圍的不同區(qū)間，凝固組織的形成規(guī)律級(jí)。在這一范圍的不同區(qū)間，凝固組織的形成規(guī)律和控制因素變化很大。同時(shí)，通過對(duì)凝固過程溫度和控制因素變化很大。同時(shí)，通過對(duì)凝固過程溫度

22、梯度的控制也會(huì)引出一系列凝固新技術(shù)。梯度的控制也會(huì)引出一系列凝固新技術(shù)。 凝固過程的對(duì)流效應(yīng)，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)對(duì)凝固組織形成規(guī)凝固過程的對(duì)流效應(yīng)，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)對(duì)凝固組織形成規(guī)律的影響，大體積液態(tài)金屬的深過冷及非晶態(tài)體材料制律的影響，大體積液態(tài)金屬的深過冷及非晶態(tài)體材料制備等基本理論問題仍是國際上方興未艾的研究課題。備等基本理論問題仍是國際上方興未艾的研究課題。 非溫度控制：非溫度控制：電磁場(chǎng)、微重力場(chǎng)、超重力場(chǎng)、微波電磁場(chǎng)、微重力場(chǎng)、超重力場(chǎng)、微波技術(shù)等非溫度因素控制手段的引入帶來一系列新的技術(shù)等非溫度因素控制手段的引入帶來一系列新的理論問題，也為先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇。理論問題，也為先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇。TSINGHUA UNIVERSITY27 先進(jìn)凝固技術(shù)：先進(jìn)凝固技術(shù)： 非晶及微晶材料的快速凝固制備技術(shù)非晶及微晶材料的快速凝固制備技術(shù) 金屬材料定向凝固技術(shù)金屬材料定向凝固技術(shù) 噴射成型及霧化法粉末冶金技術(shù)噴射成型及霧化法粉末冶金技術(shù) 單晶連鑄技術(shù)單晶連鑄技術(shù) 超凈冷坩堝及冷床熔鑄成型技術(shù)，超凈冷坩堝及冷床熔鑄成型技術(shù)， 工業(yè)原材料工業(yè)原材料(鋼鐵、鋁等鋼鐵、鋁等)近終形連續(xù)鑄造及連近終形連續(xù)鑄造及