壓力下金屬的結(jié)晶技術(shù)

1、壓力下金屬的結(jié)晶技術(shù)壓力下金屬的結(jié)晶技術(shù)姓名：學(xué)號(hào)：目錄CONTENTS壓力對(duì)金屬熔點(diǎn)的影響Part 1壓力對(duì)金屬其他物性參數(shù)的影響Part 2壓力對(duì)金屬狀態(tài)圖的影響Part 3壓力對(duì)結(jié)晶參數(shù)的影響Part 4壓力對(duì)金屬或合金結(jié)晶組織的影響Part 5壓力對(duì)金屬或合金氣體析出的影響Part 6壓力結(jié)晶技術(shù)的應(yīng)用Part 7f結(jié)晶壓力是金屬或合金凝固時(shí)的一個(gè)重要工藝參數(shù)。隨著結(jié)晶壓力的升高，金屬或合金的物性參數(shù)、相圖、凝固參數(shù)、凝固組織和性能都會(huì)發(fā)生明顯的變化。1.引言2.壓力對(duì)金屬熔點(diǎn)的影響壓力對(duì)金屬熔點(diǎn)的影響f對(duì)正在結(jié)晶的液態(tài)金屬施加壓力會(huì)導(dǎo)致金屬熔點(diǎn)的變化，利用克勞修斯一克拉珀龍方程可以描

2、述金屬熔點(diǎn)與凝固壓力之間的關(guān)系：f近似計(jì)算為：f式中：p為壓力（MPa），Tm為金屬和合金的熔點(diǎn)（K）， V液和V固為單位質(zhì)量的液相和固相金屬的體積（cm3/g），Hm為單位質(zhì)量金屬的熔化潛熱（J/g）表1.1常用金屬熔點(diǎn)與附加壓力的關(guān)系純金屬和共晶合金的熔點(diǎn)隨壓力變化的規(guī)律：純金屬和共晶合金的熔點(diǎn)隨壓力變化的規(guī)律：f(l)結(jié)晶時(shí)體積收縮的金屬(v液-v固0)，增加結(jié)晶時(shí)的壓力，金屬的熔點(diǎn)將升高(T熔 0)，如鋁、銅、鎂、鐵、鎳、鋅、鉛、錫、鎘等純金屬以及Al-Si、Fe-Fe3C共晶合金；反之，結(jié)晶時(shí)體積膨脹的金屬(v液-v固0)，增加結(jié)晶時(shí)的壓力，金屬的熔點(diǎn)將降低（T熔 0者，不論是自發(fā)形

3、核，還是非自發(fā)形核，增加壓力，均減小臨界晶核尺寸(r*)和形核功（G*或G*he），有利于形核。f對(duì)于結(jié)晶時(shí)體積膨脹的金屬與合金，即v液- v固 0:f若增加結(jié)晶過程中的壓力，將使其熔點(diǎn)上升，在結(jié)晶溫度不變時(shí)，相應(yīng)地增加了結(jié)晶過冷度，因此，在一定的范圍內(nèi)，增加壓力會(huì)導(dǎo)致晶體長(zhǎng)大速度R的提高。f 但在一定的范圍內(nèi)，增加壓力也會(huì)導(dǎo)致液態(tài)金屬形核速率 I 的提高，因此，壓力下結(jié)晶對(duì)金屬或合金宏觀品粒度的影響是復(fù)雜的，它還與合金的成分和各種工藝條件有關(guān)。f 在某些壓力條件下，形核速率 I 的增加幅度超過了長(zhǎng)大速度R的增加幅度，則加壓可以使宏觀晶粒細(xì)化，反之，當(dāng)形核率 I 的增加幅度低于長(zhǎng)大速度R的增加

4、幅度，則加壓反而會(huì)使宏觀晶粒粗化。f對(duì)于結(jié)晶時(shí)體積膨脹的金屬與合金，即v液- v固 0:f結(jié)晶過程中增加的壓力，其熔點(diǎn)下降，在結(jié)晶溫度不變時(shí)，相應(yīng)地減小了結(jié)晶過冷度，在一定的范圍內(nèi)，增加壓力會(huì)導(dǎo)致晶體長(zhǎng)大速度R的降低。f但在一定的范圍內(nèi)，增加壓力會(huì)導(dǎo)致液態(tài)金屬形核速率 I 的下降，因此，壓力下結(jié)晶對(duì)金屬或合金宏觀晶粒度的影響也是復(fù)雜的，要視具體情況而定。 6.壓力對(duì)金屬或合金結(jié)晶組織的影響壓力對(duì)金屬或合金結(jié)晶組織的影響f1)對(duì)宏觀晶粒度的影響f結(jié)晶時(shí)施加外界壓力，除改變結(jié)晶參數(shù)外，還會(huì)影響以下幾個(gè)方面：f(1)使液態(tài)金屬或鑄件結(jié)晶的硬殼與模具型腔緊密接觸，可大大改善模具與金屬的熱交換條件，加速

5、鑄件的凝固。但是，冷卻速度的提高也會(huì)增加結(jié)晶前沿液態(tài)金屬中的溫度梯度，對(duì)于厚壁鑄件內(nèi)部或?qū)嵝暂^差的金屬來說，這會(huì)促使形成發(fā)達(dá)的柱狀晶；還可以在結(jié)晶前沿的液態(tài)金屬中產(chǎn)生較大的過冷度，這對(duì)于在較小過冷度下就能迅速形核的金屬或合金來說，可以細(xì)化晶粒。f(2)使正在生長(zhǎng)的樹枝晶破碎和脫落而成為新的晶核，有利于細(xì)化晶粒。f(3)在大多數(shù)情況下，只要工藝得當(dāng)，壓力下結(jié)晶可以細(xì)化晶粒f2)對(duì)顯微組織細(xì)化的影響f液態(tài)金屬在高壓下結(jié)晶，使鑄件的凝固速度大大提高，可以細(xì)化顯微組織。不同壓力下結(jié)晶的鋁合金枝晶間距，隨著壓力的增加，晶粒不斷細(xì)化；當(dāng)壓力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，再增加壓力，晶粒也不會(huì)進(jìn)一步細(xì)化。7.壓力對(duì)金屬

6、或合金氣體析出的影響壓力對(duì)金屬或合金氣體析出的影響f(1) 增加氣體的溶解度，使析出的氣體量減少，施加外部壓力可增加氣體的溶解度，從而使合金氣體總析出量大大減少。 f(2)增加外部壓力，使氣泡在更高的內(nèi)部壓力下才能形核，從而可能抑制氣泡的形成。f(3)增加外部壓力，提高了金屬液的凝固速度，使氣體來不及擴(kuò)散析出，從而避免凝固的金屬中出現(xiàn)氣孔。8.壓力結(jié)晶技術(shù)的應(yīng)用壓力結(jié)晶技術(shù)的應(yīng)用f(1)擠壓鑄造f擠壓鑄造是成功應(yīng)用壓力下結(jié)晶技術(shù)的典范之一。擠壓鑄造就是對(duì)澆入擠壓鑄型內(nèi)的液態(tài)金屬施加較高的機(jī)械壓力，并使其凝固而獲得鑄件的工藝方法。f按液態(tài)金屬的充型特征和結(jié)晶時(shí)所受的壓力狀況，擠壓鑄造技術(shù)可分為以

7、下幾種。柱塞擠壓：合型加壓時(shí)，液態(tài)金屬不發(fā)生充型流動(dòng)。沖頭擠壓：合型加壓時(shí)，液態(tài)金屬發(fā)生充型流動(dòng)；沖頭擠壓技術(shù)又可分為直接沖頭擠壓和間接沖頭擠壓。特殊擠壓：沖頭柱塞擠壓和型板擠壓。f利用擠壓鑄造可以方便地制各金屬基復(fù)合材料，如鋁與鋼的復(fù)合、硬質(zhì)合金與鋼的復(fù)合、碳纖維與鋁合金基體的復(fù)合、不銹鋼毛細(xì)管與純鋁的復(fù)合、石墨顆粒與鋁合金基體的復(fù)合。由于在較高的壓力下復(fù)合，金屬液或合金液更易于滲入到增強(qiáng)相之間，或進(jìn)一步提高了金屬液或合金液與增強(qiáng)相之間的界面反應(yīng)，形成牢固的冶金結(jié)合，從而獲得優(yōu)質(zhì)的金屬基復(fù)合材料。 f(2)制備新材料 f近年來，通過高壓熔淬方法獲得非晶材料是壓力結(jié)晶的一個(gè)發(fā)展方向，在高壓狀態(tài)下，通過熔體急冷方法，獲得塊狀非晶材料，而且獲得非晶材料的冷卻速度比常壓下獲得非晶材料的冷卻速度要低得多。一般認(rèn)為，高壓抑制了原子擴(kuò)散，從而導(dǎo)致在較低的冷卻速度下形