凝固與新型材料03

凝固與新型材料主講人：呂海燕西安科技大學(xué)2024/6/31一凝固概述凝固的概念凝固的廣泛性凝固過程復(fù)雜性二凝固科學(xué)與技術(shù)核心形核生長三單相及多相合金凝固單晶共晶包晶四新型材料磁性材料形狀記憶合金非晶2內(nèi)容提要2024/6/3

自然界的物質(zhì)通常存在三種狀態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。在一定的條件下，物質(zhì)可以在三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。

物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程就是凝固一、凝固概述1凝固的概念2024/6/33凝固結(jié)晶由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。結(jié)晶是指從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程。2024/6/34水凝結(jié)成雪花晶體2凝固現(xiàn)象的廣泛性水的結(jié)冰、火山熔巖的固化、鋼鐵生產(chǎn)中的鑄錠。幾乎一切金屬制品在生產(chǎn)中都要經(jīng)歷一次或以上凝固過程。2024/6/35液體金屬（鋼水）澆注后凝固成固體金屬（鑄錠）2024/6/36*SchematicofthermoplasticInjectionmoldingmachine塑料注射成形后的凝固2024/6/37體積改變外形改變熵值改變產(chǎn)生凝固潛熱晶體結(jié)構(gòu)改變發(fā)生溶質(zhì)再分配3凝固過程的復(fù)雜性縮小3－5％更“整齊”2024/6/38發(fā)生溶質(zhì)再分配2024/6/3910晶體的形核及生長二凝固科學(xué)與技術(shù)的核心2024/6/3

熔化熵與晶體形態(tài)2024/6/3112024/6/3122024/6/313結(jié)晶規(guī)律：結(jié)晶過程是晶核不斷形成和長大的過程晶粒立體長大液體中瞬時有許多規(guī)則排列的原子團(tuán)，時聚時散長大形核晶核長大不斷生成新晶核相碰晶粒多晶體晶體凝固的基本規(guī)律2024/6/314形核長大形成多晶體兩個過程重疊交織過冷度2024/6/31516

單個等軸晶的形成---四角生長2024/6/317

單個等軸晶的形成---六角生長2024/6/318

單個等軸晶的形成---各向異性2024/6/32024/6/3192024/6/320三單相及多相合金凝固不同凝固速率下DD407單晶高溫合金的凝固界面形態(tài)G=360k/cmV=3.5μm/sV=6μm/sV=10μm/s2024/6/321V=50μm/sV=100μm/sV=400μm/s2024/6/3222024/6/323鑄件的晶粒組織和枝晶形態(tài)2024/6/324典型的共晶組織2024/6/325Al-12.6％Si共晶定向凝固組織（非規(guī)則共晶）2024/6/326包晶反應(yīng)機(jī)制

(a)包晶反應(yīng)示意圖;(b)Cu-55%Sn合金包晶反應(yīng)淬火界面,V=2μm/s;(c)淬火前保溫1小時,V=10μm/s2024/6/327離散帶狀;(b)部分或島帶狀;(c)初生相向包晶相轉(zhuǎn)變;(d)耦合共生生長;(e)新形核相離散分布;(f)振蕩樹狀包晶合金凝固組織的多樣性包晶凝固過程中各相形核、生長之間相互競爭與耦合的復(fù)雜性W.J.Boettinger,etal.ActaMater.2000,48(1):43~702024/6/328292024/6/3液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w金屬的過程就是凝固過程，凝固過程主要是晶體或晶粒的生成和長大過程，所以也稱結(jié)晶。從微觀來看，凝固是金屬原子從無序狀態(tài)到有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，也就是液體中無規(guī)則的原子集團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)榘匆欢ㄒ?guī)則排列的固態(tài)結(jié)晶體。從宏觀來看，它是把液體金屬儲藏的顯熱和結(jié)晶潛熱傳輸?shù)酵饨?，使液體轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢ㄐ螤畹墓虘B(tài)物質(zhì)金屬及其合金都是晶體，所以它們的凝固過程就是結(jié)晶。金屬冶煉、鑄造、焊接工藝過程就是結(jié)晶過程。凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。小結(jié)2024/6/330材料的分類

按狀態(tài)分，材料可分為單晶、多晶、非晶、準(zhǔn)晶和液晶。從組分的角度，材料則可分為金屬、無機(jī)材料、有機(jī)材料、先進(jìn)復(fù)合材料。從應(yīng)用來看，材料可分為信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料等。目前常根據(jù)材料的用途，將材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料主要是以強(qiáng)度為主要性能指標(biāo)構(gòu)造受力構(gòu)件所用材料。這類材料是機(jī)械制造、工程建筑、交通運(yùn)輸、航空航天等各種工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。功能材料是指除強(qiáng)度外還具有優(yōu)良的電、磁、光、聲、熱、力、生物醫(yī)學(xué)等功能，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的材料，是新材料的領(lǐng)域的核心。四新型材料2024/6/331材料的多樣性能源材料金屬材料無機(jī)非金屬材料光電材料有機(jī)高分子材料智能材料生物材料生態(tài)環(huán)境材料復(fù)合材料你知道那些材料？單晶多晶非晶準(zhǔn)晶液晶建筑材料航空航天材料結(jié)構(gòu)材料功能材料信息材料還有哪些材料？請補(bǔ)充！2024/6/332物質(zhì)磁性的普遍性——無處不在（1）物質(zhì)的各種形態(tài)，無論是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、超高密度態(tài)都具有磁性；（2）物質(zhì)的各個層次，無論是原子、原子核、基本粒子等都會具有磁性。（3）無限廣袤的宇宙，無論是各個天體，還是星際空間都存在著或強(qiáng)或弱的磁場。例如：地球磁場強(qiáng)度約為240A/m，太陽的普遍磁場強(qiáng)度約為80A/m.1磁性材料2024/6/333磁性細(xì)菌

1975年即發(fā)現(xiàn)磁性細(xì)菌---體內(nèi)有一排磁性納米粒子許多生物體內(nèi)就有天然的納米磁性粒子，如磁性細(xì)菌，鴿子，海豚，石鱉，蜜蜂，人的大腦等

2024/6/334磁性流體及其應(yīng)用（磁性液體）1963年，美國國家航空與航天局采用油酸為表面活性劑，把它包覆在超細(xì)的四氧化三鐵微顆粒上(直徑約為10nm)，并高度彌散于煤油(基液)中，從而形成一種穩(wěn)定的膠體體系。在磁場作用下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑所包裹著的液體一起運(yùn)動，好象整個液體具有磁性，因此，取名為磁性液體。磁性流體是一種新型功能材料電子、化工、能源、冶金、環(huán)保、醫(yī)藥、旋轉(zhuǎn)軸、密封、揚(yáng)聲器、磁盤、軸承

磁性液體的組成

a)磁性流體b)吸附表面活性劑的磁性微粒

1-基載液

2-表面活性劑

3-磁性微粒2024/6/335磁性流體主要特點(diǎn)：

1.在磁場作用下，可以被磁化；

2.具有液體的流動性，可以運(yùn)動。

3.在靜磁場作用下，磁性顆粒將沿著外磁場方向形成一定有序排列的團(tuán)鏈簇，從而使得液體變?yōu)楦飨虍愋缘慕橘|(zhì)。當(dāng)光波、聲波在其中傳播時會產(chǎn)生光的法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射效應(yīng)、二向色性以及超聲波傳播速度與衰減的各向異性，此外介電性質(zhì)也會呈現(xiàn)各向異性。這些都是有別于通常液體的奇異性質(zhì)。2024/6/336

在宇宙飛船的外面常伸出一根軸，軸的端部固定著一架望遠(yuǎn)鏡。飛船內(nèi)部的壓力是大氣壓力，而艙外的壓力卻是零，而且處在宇宙的低溫下。在這種條件下，用最好的橡膠制成的密封件也只能維持幾小時的壽命，而磁性液體密封件的壽命則實(shí)際上是無限的。

磁性液體在非均勻磁場中將聚集于磁場梯度最大處，因此利用外磁場可將磁性液體約束在密封部位形成磁性液體“O”型環(huán)，具有無泄露、無磨損、自潤滑、壽命長等特點(diǎn)。2024/6/337宇航員頭盔的密封是納米磁性材料的

最早重要應(yīng)用之一----磁性液體2024/6/33839aIIb定向凝固速度為10μm/s時Nd13.5Fe79.75B6.75合金縱截面組織:(a)穩(wěn)態(tài);(b)包晶反應(yīng)界面2024/6/3VabVdc片層疇紋取向代表易磁化軸方向（c）（d）Nd11.76Fe82.36B5.88

V=1μm/s（a）（b）Nd13.5Fe79.75B6.75V=10μm/s縱截面橫截面2024/6/340材料磁性分類

根據(jù)磁化率的大小、方向不同，把物質(zhì)磁性分五類(1)抗磁性

diamagnetism(2)順磁性paramagnetism(3)反鐵磁性opposite

ferromagnetism(4)鐵磁性ferromagnetism(5)亞鐵磁性

sub-ferromagnetism2024/6/341HC很低的材料稱作軟磁材料HC高的材料稱作硬磁材料磁性材料的分類10-11101102103104105106HC(A/m)軟磁材料磁記錄介質(zhì)磁記憶材料半硬磁材料永磁材料半硬磁材料半硬磁材料

按矯頑力的大小鐵磁材料磁性材料廣泛地應(yīng)用于電子工業(yè)、電氣工業(yè)以及通訊、測量、印刷、計(jì)算機(jī)等方面。近年來深入研究磁光、磁電、壓磁和磁致伸縮、燈光功能轉(zhuǎn)換材料，不斷開發(fā)出各種磁轉(zhuǎn)換器件。鐵磁性材料2024/6/342軟磁材料要求：降低材料的不均勻性——高純原料，熔煉鑄造工藝降低磁各向異性——非晶態(tài)合金種類：純鐵、硅鋼Fe-Si,Fe-Al-Si,Ni-Fe,Fe-Co合金，非晶態(tài)合金、磁性陶瓷材料（鐵氧體MFe2O4）應(yīng)用：電磁鐵磁頭、電力變壓器、發(fā)動機(jī)、電動機(jī)通訊變壓器、微波器件、磁記錄材料特點(diǎn)：高的磁導(dǎo)率、低的矯頑力（Hc<100A/m)和低的鐵芯損耗。在磁場作用下非常容易磁化；取消磁場后很容易退磁化2024/6/343變壓器變壓器的鐵芯處于不斷變化的電磁場中，鐵芯材料的磁化強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度也是不斷改變的。這就自然要求鐵芯材料對這種變化的阻力小，變化足夠靈敏。所以，幾乎對所有的變壓器鐵芯，都要求導(dǎo)磁率高。

軟磁材料的應(yīng)用2024/6/344

非金屬氧化物----鐵氧體鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈現(xiàn)出亞鐵磁性。由Fe2O3和其他二價的金屬氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合燒結(jié)而成磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料，剩磁接近于磁飽合磁感應(yīng)強(qiáng)度具有高磁導(dǎo)率、高電阻率可作磁性記憶元件2024/6/345信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展日益需要提供高性能的信息存儲磁性材料——屬于軟磁材料。磁滯曲線，在給樣品加上反向磁場后，樣品不發(fā)生變化，直到磁場達(dá)到HC時，磁化突然發(fā)生。

信息存儲材料的正交磁滯曲線BHHC2024/6/3462024/6/347硬磁材料

硬磁材料又稱永磁材料，永磁材料是最早發(fā)現(xiàn)和使用的磁性材料。主要特點(diǎn)這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。剩磁很大；具有較大的矯頑力，典型值Hc＝104～106A/m；磁滯回線較粗，具有較高的最大磁能積(BH)max；利用永磁體的磁場，或通過磁場和載流導(dǎo)體、帶電粒子、渦流等的相互作用，可以使一種能量轉(zhuǎn)換成另—種能量，如磁與電、磁與機(jī)械等的能量轉(zhuǎn)換，而得到廣泛的應(yīng)用。2024/6/348磁能積（BH)m硬磁材料----磁場源或磁力源，提供磁空間閉合——不能提供磁空間空氣隙----磁極（提供磁空間）

最大磁能積越大，空氣隙產(chǎn)生的磁場越大。硬磁材料：鐵氧體、Al-Ni-Co，稀土-鐵合金應(yīng)用：揚(yáng)聲器、繼電器、磁電機(jī)、電話、耳機(jī)、冰箱門封條、無線話筒、玩具2024/6/349硬磁材料主要應(yīng)用用于制造各種永磁體，以便提供磁場空間；可用于各類電表和電話、錄音機(jī)、電視機(jī)中以及利用磁性牽引力的舉重器、分料器和選礦器中。釹鐵硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工業(yè)用硬磁材料最大磁能積最高者。其主要缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性和抗腐蝕性稍差。鈷基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5燒結(jié)永磁體和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它們的缺點(diǎn)是脆，加工性稍差。2024/6/3502024/6/3511961年美國海軍軍械實(shí)驗(yàn)室首先研究了Ni-Ti合金的形狀記憶效應(yīng)。1994年3月1日，秦始皇兵馬俑二號坑正式開挖，在清理一號洞時發(fā)現(xiàn)一把青銅劍被一尊重達(dá)150kg的陶俑壓彎，超過45度，當(dāng)移開陶俑之后，2024/6/3522形狀記憶合金

（簡稱SMA)53

2024/6/32024/6/354形狀記憶合金隨溫度變化幾何形狀會發(fā)生突變,在低溫馬氏體狀態(tài)合金較軟,可適當(dāng)變形,加熱到逆相變溫度以上時發(fā)生馬氏體-母相轉(zhuǎn)變,合金變硬并恢復(fù)到原來的形狀,實(shí)現(xiàn)對外做功。

三種形狀記憶效應(yīng)2024/6/35556

3非晶材料

液態(tài)可以以兩種完全不同的方式固化：一是不連續(xù)到晶體固體，二是連續(xù)到非晶態(tài)固體2024/6/357塊體金屬玻璃的性能特征

與傳統(tǒng)的晶態(tài)合金相比，塊體金屬玻