《液固相變原理》讀書報告

《液固相變原理讀》

-----讀書報告

本門課程設計液態(tài)金屬的結構特征及物理性質(zhì),液固相變的基本原理，現(xiàn)代定向凝固理論，快速凝固理論和傳輸過程對凝固過程的影響等五大主要內(nèi)容。下面我將以定向凝固理論為重點來和大家一起交流學習。在近代材料制備與加工技術的發(fā)展對新材料的研發(fā)，應用和產(chǎn)業(yè)化有決定作用。同時和可以有效的改進和提高傳統(tǒng)材料的使用性能，對傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的更新和改造具有重要作用。定向凝固技術被廣泛應用于忽的具有特殊取向的組織和有優(yōu)異性能的材料內(nèi)容提要：第一章：定向凝固1.1定向凝固的發(fā)展史1.2.1定向凝固的基本定義1.2.2定向凝固—成分過冷理論的提出1.2.3定向凝固技術的適用范圍第二章共晶包晶偏晶2.1共晶的凝固2.2包晶的凝固2.3偏晶的凝固第一章：定向凝固1.1定向凝固的發(fā)展歷史

定向凝固過程的理論研究的出現(xiàn)是在1953年，那是Charlmers及其他的同事們在定向凝固方法考察液/固界面形態(tài)演繹的基礎上提出了被人們稱之為定量凝固科學的里程碑的成分過冷理論。在20世紀60年代，定向凝固技術成功的應用于航空發(fā)動機渦輪葉片的制備上，大幅度提高了葉片的高溫性能，使其壽命加長，從而有力地推動了航空工業(yè)發(fā)展。

近20年來，不僅開發(fā)了許多先進的定向凝固技術，同時對定向凝固理論也進行了豐富和發(fā)展，從Charlmers等的成分過冷理論到Mullins等的固/液界面穩(wěn)定動力學理論（MS理論），人們對凝固過程有了更深刻的認識，從而又能進一步指導凝固技術的發(fā)展。隨著其他專業(yè)新理論的出現(xiàn)和日趨成熟及實驗技術的不斷改進，新的凝固技術也將被不斷創(chuàng)造出來。定向凝固技術必將成為新材料的制備和新加工技術的開發(fā)提供廣闊前景，也必將使凝固理論得到完善和發(fā)展。1.2.1定向凝固技術

定向凝固技術是使液態(tài)金屬的熱量沿著一定的方向排出，或通過對液態(tài)金屬施深過冷，從而使晶體的生長（凝固）向著一定的方向進行最終獲得具有單方向晶粒組織的一種工藝方法。它經(jīng)歷從功率降低法—快速凝固法—液態(tài)金屬冷卻的發(fā)展過程。由于冷卻及控制技術的不斷進步，使熱量排出的強度及方向性不斷提高，從而使固液界面前沿液相的文都梯度不斷提高。這不僅是晶粒生長的方向提高，而且組織更細長，挺直，并延長了定向區(qū)。定向凝固技術已廣泛應用于鑄造高溫合金燃氣輪葉片的生產(chǎn)中，由于力學性質(zhì)優(yōu)異，使葉片工作溫度大幅度提高，從而提高發(fā)動機的性能。1.2.2定向凝固—成分過冷理論的提出

定向凝固技術實驗的發(fā)展推動了凝固理論的發(fā)展和深入。Charlmers、Tiller等人在研究中發(fā)現(xiàn)在合金中液固界面前沿由于溶質(zhì)富集將會產(chǎn)生“成分過冷”導致平衡界面失穩(wěn)而形成胞晶核枝晶。首次提出了成分過冷理論。成分過冷理論純金屬的凝固過程1.在正的溫度梯度下，固液界面前沿液體幾乎沒有過冷，固液界面以平面方式向前推進，即晶體以平面方式向前生長。2.在負的溫度梯度下，界面前方的液體強烈過冷，晶體以樹枝晶方式生長。成分過冷理論能成功的判定低速生長條件下無偏析特征的平面凝固，避免胞晶或枝晶的生長。

20世紀50年代Charlmers、Tiller等人首次提出單晶二元合金成分理論。

固液界面液相區(qū)內(nèi)形成成分過冷條件主要有兩方面：一、是由于溶質(zhì)在固相和液相中的固溶度不同，即溶質(zhì)原子在液相中固溶度大，在固相中固溶度小，當單向合金冷卻凝固時，溶質(zhì)原子被排擠到液相中去，在固液界面液相一側(cè)堆積著溶質(zhì)原子，形成溶質(zhì)原子的富集層。隨著離開固液界面距離增大，溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)逐漸降低。

二、是在凝固過程中，由于外界冷卻作用，在固液界面固相一側(cè)不同位置上的實際溫度不同，外界冷卻能力強，實際溫度低；相反實際溫度高。如果在固液界面液相一側(cè)，溶液中的實際溫度低于平衡時液相線溫度，出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。

在此基礎上，Charlmers、Tiller等人首次提出了著名的“成分過冷”判據(jù)：

式中：GL為液固界面前沿液相溫度梯度（K/mm）；V為界面生長速度（mm/s）；mL為液相線斜率；C0為合金平均成分；k0為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)；DL為液相中溶質(zhì)擴散系數(shù)；ΔT0為平衡結晶溫度間隔。據(jù)此，可以得到平衡界面生長的臨界速度：式中，△T。=mLC0(k0-1)，△T0是合金平衡結晶溫度間隔。注意：1.在晶體生長過程中，當不存在成分過冷時，如果在平直的固液界面上由于不穩(wěn)定因素擾動產(chǎn)生凸起，也會由于過熱的環(huán)境將其熔化而繼續(xù)保持平面界面。2.而當界面前沿存在成分過冷時，界面前沿由于不穩(wěn)定因素而形成的凸起會因為處于過冷區(qū)而發(fā)展，平界面失穩(wěn)，導致樹枝晶的形成。小節(jié)：1.成分過冷理論提供了判斷液固界面穩(wěn)定性的第一個簡明而適用的判據(jù)，對平界面穩(wěn)定性，甚至胞晶和枝晶形態(tài)穩(wěn)定性都能夠很好地做出定性地解釋。但是這一判據(jù)本身還有一些矛盾，如：成分過冷理論把平衡熱力學應用到非平衡動力學過程中，必然帶有很大的近似性;2.在固液界面上引入局部的曲率變化要增加系統(tǒng)的自由能，這一點在成分過冷理論中被忽略了；3.成分過冷理論沒有說明界面形態(tài)的改變機制隨著快速凝固新領域的出現(xiàn)，上述理論已不能適用1.2.3定向凝固技術的適用范圍應用定向凝固方法，得到單方向生長的柱狀晶，甚至單晶，不產(chǎn)生橫向晶界，較大提高了材料的單向力學性能，熱強性能也有了進一步提高，因此，定向凝固技術已成為富有生命力的工業(yè)生產(chǎn)手段，應用也日益廣泛。

1.單晶熔生長晶體羽生長停的研碎究內(nèi)期容之媽一是肉制備序成分孤準確籍，盡罩可能礦無雜卸質(zhì)，奧無缺疏陷（買包括卡晶體礎缺陷蔽）的拘單晶逢體。慰晶體茶是人物們認凍識固須體的傷基礎峰。定乘向凝費固是焦制備憤單晶陽最有贈效的雅方法舟。為準了得題到高鄙質(zhì)量倦的單克晶體悟，首注先要葡在金士屬熔勇體中酸形成林一個刻單晶猶核：闊可引緣瑞入粒標晶成適自發(fā)仙形核訂，而慚在晶具核和破熔體猶界面仆不斷祝生長調(diào)出單愚晶體衣。單晶努在生喜長過呆程中杰絕對識要避適免固—液界協(xié)面不殃穩(wěn)定巾而生莫出晶耗胞或獨柱晶菜。故緣瑞而固—液界郊面前脈沿不毛允許壞有溫孔度過策冷或裁成分揀過冷唐。固惹液界蘋面前笨沿的管熔體沫應處娘于過選熱狀僻態(tài)，來結晶川過程獻的潛渣熱只蠟能通德過生施長著幫的晶據(jù)體導傅出。頭定向磁凝固賠滿足焦上述勢熱傳眨輸?shù)慕僖笃?，只關要恰等當?shù)牧P控制兄固—液界偷面前離沿熔疼體的君溫度累和速銀率，栽是可警以得隸到高所質(zhì)量驢的單破晶體歷的。2.柱狀盟晶生紀長柱狀確晶包睜括柱處狀樹械枝晶套和胞屠狀柱稈晶。螺通常綠采用杏定向及凝固浙工藝鼓，使幸晶體疫有控奴制的稅向著昂與熱窩流方醬向相掛反的戰(zhàn)方向你生長趴。共忌晶體威取向澡為特鉆定位羨向，狐并且翠大部憤分柱惕晶貫期穿整末個鑄娘件。劇這種淘柱晶間組織挪大量花用于刺高溫倚合金饑和磁耳性合扒金的家鑄件貌上。定向伍凝固范柱狀盤晶鑄甲件與期用普其通方炒法得展到的鐘鑄件蓋相比疫，前敵者可魚以減鏟少偏蜻析、得疏松級等，誓而且賄形成肯了取盲向平本行于均主應膚力軸鴨的晶侍粒，越基本溪上消絨除了淋垂直嚼應力猶軸的橫橫向葛晶界孫，是傍航空撤發(fā)動膚機葉油片的蔽力學泳性能棄有了球新的竄飛躍嶼。另外濾，對銳面心個立方倉晶體影的磁擠性材料料，弊如鐵多等，燥當鑄逮態(tài)柱副晶沿章晶向汁取向叔時，浴因與固磁化悔方向擱一致耍，而各大大寒改善唐其磁眼性。獲得湊定向話凝固溉柱狀墨晶的鋤基本呀條件樹是：合金凍凝固朱時熱持流方度向必招須是敵定向滿的。蘇在固—液界般面應偵有足你夠高侮的溫交度梯釘度，近避免訓在凝牲固界暗面的昨前沿掏出現(xiàn)某成分含過冷膏或外診來核址心，宣使徑貢向橫濕向生歌長受慕到限道制。偏另外祖，還附應該仁保證雨定向橡散熱腔，絕較對避蘿免側(cè)蛾面型孫壁生霞核長類大，糊長出糧橫向腥新晶付體。因此畝，要擦盡量駕抑制嫩液態(tài)也合金暖的形衡核能串力。株提高委液態(tài)莊金屬忌的純期潔度德，減靈少氧握化、磁吸氣物形成法的雜零質(zhì)的檢污染爪是用呢來抑散制形哀核能曬力的錄有效沒措施努。但旦是，雀對于徐某些餡合金岔系，萬常規(guī)屈化學源組成側(cè)中含狼有很帳多雜影質(zhì)，含以致史即使鵝采用核很高灰的GL壺/R比值好，都寺不足畏以使晌液體窮合金藍的形刪核得軋到抑欄制。3.高溫衛(wèi)合金岔制備高溫毅合金虎是現(xiàn)施在航皆空燃捧氣渦朋輪.艦船憐燃氣銳輪機炎、地基面和虎火箭渣發(fā)動盛機的途重要衫金屬考材料骨，在煌先進挎大航鎖空發(fā)啟動機效中，介高溫市合金柏的用裁量占40糠%—蘆60科%，因坑此這升種材葉料被評喻為奮燃氣切輪的嫩心臟債。采用壤定向獵凝固民技術略生產(chǎn)托的高符溫合燙金基嶄本上誤消除秒了垂五直于墻應力粗軸的底橫向棕晶界念，并找以其桑獨特盤的平握行于慮零件徐主應明力軸壤擇優(yōu)升生長生的柱很晶組右織以巖及有階意的傳力學騾性能要而獲殘得長輪足的張發(fā)展焰。MA透R—更M2鏡00中溫寇性能嘗尤其萌是中勿溫塑刪性很堆低，遺作為桑渦輪玻葉片界在工愛作中姥常發(fā)可生無讓預兆冤的斷摟裂。在定恰向凝莖固的鳥合金螺基礎捧上發(fā)福展出御的完風全消砍除晶建界和逗晶界牢元素克的單割晶高污溫合熟金，搏熱強山性能她有了亞進一糊步的造提高莊。采觀用高乳梯度擠定向剪凝固破技術械，在捕較高怠的冷刑卻速歪率下協(xié)，可轎以得豆到具沾有超嫂細枝岸晶組全織的庸單晶棋高溫喚合金惰材料接。定向抓凝固掃技術蔥促進吳了航往空等某領域頃的發(fā)勸展，預目前匙幾乎心所有磁現(xiàn)金堡航空命發(fā)動壯機都調(diào)采用嫁單晶摩葉片誰為特桑色，亡第三刊代的砌單晶壞合金恭制造鑒的渦勻輪葉嬸片，疤工作比溫度鋸可達12相40史℃。另茄外，跑新的所單晶焰合金敵成分弊中Re的加遍入以洞及Hf、Y、La、Ru等元斤素的悄合理抱應用棵使合犬金的音持久哪性能釣和抗服環(huán)境博性能佩有明牧顯提極高。4.磁性塔材料餅的制莫備磁性敬材料炕是古葛老而蚊年輕柿的功轉(zhuǎn)能材復料，濃指具肝有可貍利用濁的磁庭學性班質(zhì)的繪材料襲，它青具有脫優(yōu)異問的磁支性能焰。深遙過冷沸快速像凝固藥是目堂前國潛內(nèi)外劍制備槐塊體壘納米霉磁性躬材料脾的研柏究熱丟點之陜一，省采用鵝該工廣藝可罵先制梨?zhèn)涑鰲l大塊衡磁性紙非晶茶，再哨將其泳進行聯(lián)退貨莖熱處丹理而盞獲得瞎納米拋磁性侍材料裹，也他可以和直接蝕將整拉塊金煌屬進看行晶富粒細膠化至雕納米責級而川獲得啄納米勸磁性治材料。深過唐冷快稅速凝之固方母法所誤制備公塊體疾納米鎖材料臭的厚南度及佛平均舟晶粒申尺寸餃在很家大程削度上萄時由禽合金以成分綁以及笛液態(tài)蓬金屬貪獲得皆的過啟冷度飾決定工的。張振昏忠等詠采用呢深過獸冷水蜻淬方階法直炸接制涌備出湖了式欣樣直產(chǎn)徑為16雀mm、平爸均晶枕粒尺伸寸小路于12萌0n渠m的Fe猴76飾B1景2S另i1態(tài)2合金斤塊體覽納米衣軟磁俱材料墾，其屬磁耗踩損PF種F4名00和PF超F(xiàn)1艙00景0僅為火普通配硅鋼方片的45自.3膊%和69角%。5.高溫橫超導納體材偵料的乳制備YB鄙CO高溫毯超導途體由沫于具塵有高頓溫臨犁界電跪流密規(guī)度和餐低的檔導熱堂率，妥是做穿電線結的潛兄在材扛料。亂如果崗要在SM重ES等方殖面有坦廣泛腔的應判用，瞇為了印減少渡熱泄帽露，帖并且汪在磁仇場中嗎具有頭高臨跌界電挑流密捧度，康那么邀就必坦須需循要大竄尺寸賠的電疫線。6.功能找材料鳳的制獵備壓電汁陶瓷姐和稀華土超株磁致均伸縮揪材料大在換陰能器扶、傳膜感器際和電謊子器釀件等念方便士都有薪廣泛掩的應爸用。弄定向半凝固稠技術龜在制萬備這恰兩種價功能窩材料啄中也奴得到取了應龜用。中國?？茖W醬院上互海硅情酸鹽描研究取所高廳性能費淘洗酸和超乓微結游構國尸家重墊點實衫驗室牲曾用慘定向呀凝固創(chuàng)技術鳥制備導了擇歉優(yōu)方暗向為[1靠11勸]、晶殺粒為識柱狀抵的PM忘N-抬0.仿35艱PT定向忌陶瓷俱和擇詳優(yōu)方雞向為[0奇11鼓]，[0叉01悟]的定馬向陶陳瓷。7.復合玻材料截的制瞧備定向唉凝固疊技術鑄也是商一種域制備酒復合猾材料將的重倚要手騎段。臟西北宣工業(yè)荷大學霉在自升行研袍制的惰具有販高真侮空、鏈高溫績度梯噸度、憂寬抽秤拉速也度等冤特點割的定察向凝箭固設蓄備上寇制備廁出自漿生Cu請-C隊r符合顏材料周棒；漫經(jīng)研婚究發(fā)必現(xiàn)：Cu惑-C娘r自生全復合仙材料申的定勇向凝嗓固組疼織是深有α基體埋相和輪分布攤于α相間謝的纖漫維狀扛共晶浪體復員合組槳成。隨著膠凝固獻速度洪的增襖加，傍各組盞織生銷長定罵向性姨變好亮且徑熄向尺敘寸均贈得到很細化土。致尼密、曾均勻則、規(guī)慎整排裙列的太組織邁減少均了橫透向晶運界、辮微觀善組織麥中α基體失相起窮導電福作用虛，纖勢維狀昨共晶搞體起春增強贊作用演。Cu輸-C井r自生漫復合蝕材料唉的強尤度、相塑性禍、導裁電性光均高唉于體極積凝絹固試聲樣，斬復合喬材料兼的綜襯合性場能的蜓到提黨高。8.多孔斑材料津的制勻備日本仆學者摧用定膨向凝輛固技桑術制銹備了覆藕狀因多孔葛銅材飛料和盾硅材佳料，積在材鼻料中速孔都壺是長股而直蠶的。丙圖5.展4和圖5.椒5分別厚是多惑孔銅捧材料腎和硅爺材料餡的光拼學顯戀微圖率。他裁們研市究了謙制備嘉的多淹孔材擦料氣錯孔率啄、氣胃孔大用小及截分布礎與性錫能關漆系，乞認為甩多孔悔材料砍在許票多新較的領晶域有舒應用帳前景河。清華鍵大學尤劉源裂等利煌用金母屬-氣體所定向插凝固賭（Ga繩sa安r）新拾工藝笨，在漏自行滑開發(fā)省的Ga奴sa報r裝置淚，成株功制按備了妹具有呀規(guī)則島氣孔腿分布少的藕幼狀多涼孔金籌屬Mg，并男研究巧了鑄艱型預籌熱溫房誠度和蟲氣體膝壓力問等工設藝參乖數(shù)對味氣孔戶率、挑氣孔鹿大小冶和分私布的誘影響偽。9.單晶躁連鑄四坯的蜂制備OC站C技術朵主要亦要應士用在弓單晶虜材料救、復謙雜截坐面薄柔壁型勸材及具其他淺工藝存難以軍加工寬的合奮金連張鑄型突材。OC祥C技術燃制備蹲的金擦屬單箱晶材炮料表泥面異紹常光旺潔，著又沒渾有晶貓界和單各種密鑄造鐵缺陷惕，具盈有優(yōu)撫異的粗變形鋤加工島性能灑，可途拉制幟成極則細的丹絲和貧壓延廁成極沿薄的欺箔。衣西北陸工業(yè)薪大學水在OC者C的技獵術基鎮(zhèn)礎上財將定會向凝適固、災高梯壓度與錯連續(xù)鴉鑄造夜結合捕起來濫制備躲出準羊無限籃長的漆銅單扣晶，鄭為高夠頻、毫超高拒頻信宵號的斜高清牧晰、脾高保掠真?zhèn)鞔漭斕崮樄┝司d關鍵鋸技術紫。圖陣是連元鑄單銀晶的頭樣件橡。與騰多晶源相比活，其燦塑性線大幅腎度提災高，薯電阻孫率降繭低38累%。而陶且他棄們用荷純度99騎.9叉%銅鎖純獲的升單晶賓的相邪對導狹電率畝優(yōu)于般日本悅用純念度99翅.9岔99名9%的性及能。從定外向凝牲固技扎術的招發(fā)展乞過程唱可以軋看出渠，隨石著其零它專板業(yè)新岔理論殃的出回現(xiàn)和免日趨防成熟捷，實汗驗技龍術的斗改進庸和人哪們的抱不斷禮努力尼通過漂尋找啟新的奪熱源魄貨加居熱方糠式、悠借鑒斗快速棟凝固怖的技臭術以亞及使紫用外穗加作美用力旗等都愈有可祝能創(chuàng)捉造出弄新的惜定向謊凝固腰技術蠻。同全時，貼定向叢凝固斧技術漠必將糊為新稱材料殺的制榴備和赤新加古工技房誠術的漫發(fā)展筒提供遞廣闊蜂的前借景，貢也必久將是竟凝固烘理論右得到像完善階和發(fā)既展。第二壩章霜共晶村包灶晶值偏晶2.掘1共晶輪合金謎的凝淡固2.丸1.峽1共晶銹組織象的分濟類依據(jù)輛共晶繼合金杏的化猛學組圖成及撒凝固揀條件監(jiān)不同害非為膨兩大曲類：1規(guī)則味共晶慮（金秋屬—金屬促共晶臉）2非規(guī)陳則共刷晶（淺金屬—非金嫌屬）規(guī)則沒共晶戀屬于問非小春平面墾，非擦規(guī)則群共晶沸屬于鴨非小恩平面—小平摩面共敞晶此天匪類譜依據(jù)阻熔化掃熵值今的大至小為河依據(jù)2.齒12規(guī)則準共晶懷與非吸規(guī)則箱共晶畫的形楊態(tài)a棒狀碑規(guī)則梢共晶b層片紹規(guī)則鼓共晶c片狀扎非規(guī)妖則共菠晶d絲狀虎非規(guī)泳則共洋晶共晶述組織憂的基樹本類躺型1.規(guī)則爛共晶戚多有貞金屬—金屬統(tǒng)相或虜金屬界金屬旅化合玻物相拌組成演，它小的形緊狀如逆圖a、b所示隆在圖1的A、B區(qū)2.非規(guī)栗則共浩晶多洪有金裂屬—非金季屬組葛成，謙它的任形狀走如圖c、d所示鞏在圖1的C、G區(qū)A規(guī)則震層片B規(guī)則據(jù)棒狀C非規(guī)執(zhí)則分鑼枝層許片D紊亂噸層片E復雜距規(guī)則刺結構F標準晉結構G非規(guī)鴿則絲獎狀結都構圖1共晶踏中小敵平面犬相體靈積分繁數(shù)與柱熔解突熵對寒組織蠻的影哈響2.導13近平何衡狀屬態(tài)下討的共桿晶共勺生區(qū)在近騾平衡配條件斥下，偉只有皺共晶讓成分重這一賽固定像成分臥的合淋金才冶能獲抬得10簡0%的共售晶組端織。蠟但是父在近側(cè)平衡竿凝固咬條件委下，纖即使蠟非共罰晶成發(fā)分的憤合金狀，從鋸熱力補學考違慮，后當其怒較快碗的冷托卻到懂兩條筑液線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