2.3.4--- 快速凝固晶态合金的组织与特征

2020/1/311（3）快速凝固的产物及其特征快速凝固使金属材料的结构发生了前所未有的变化可形成具有特殊性能的新材料。粗大的树枝晶、共晶及其他显微组织细化的树枝晶、共晶及其他显微组织扩大的固溶极限、超细晶粒、无偏析或少偏析、亚稳相、直至非晶态常规显微组织改善的显微组织新型显微组织受化学成分及工艺因素影响熔体104100108102106组织及成分的均匀性冷却速度/(K•s-1)2020/1/312①形成过饱和固溶体将液态合金以高速急冷快速地穿过液/固两相区，就阻止了第二相的生核和长大。使溶质原子以超常规溶解度陷在α相晶格中。这种效应最早是Falkenhagen和Hofmann两人在研究铝合金急冷产物时发现的。表2-1列出了几种合金元素在铝中的扩展固容度。2020/1/313表2-1部分合金元素在Al中平衡固容度和扩展固容度（%）2020/1/314Luo和Duwez等人曾对各种合金元素在镍基和钴基中固溶度的做系统研究后发现：无论怎样提高急冷速度，固溶度的扩展量是有限的。这个限度是平衡凝固时的共晶成分或包晶成分。例如，Fe-C合金中碳的扩展固容度极限是16.2%，相当于共晶成分。当合金的溶质浓度超过共晶成分或者包晶成分时，快速凝固时就有中间平衡相快速生核，并且这种中间平衡相不能被抑制。当过饱和固溶度低于上述极限固溶度时，与平衡条件下的晶格常数与固溶度之间呈线性关系的规律相同。当达到极限固溶度时，晶格常数保持不变。2020/1/3152.超细的晶粒度随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小，可以获得微晶甚至纳米晶。快速凝固合金比常规合金低几个数量级的晶粒尺寸，一般为0.1~1.0μm在Ag-Cu（ωCu=50%）合金中，观察到细至3nm的晶粒。原因：很大过冷度下达到很高形核率2020/1/3163.极少偏析或无偏析平直界面凝固生长速度冷却速度（相近的温度梯度）胞状晶树枝晶无特征晶当G/v值极低且生长速度很小时，枝晶尖端温度非常接近于液相线温度。如果温度梯度增大且慢速生长时，枝晶尖端将一直降至平衡的固相线温度，此时的凝固前沿成为平界面，固相成分为原始成分，即达到稳态生长；如果生长速度加剧，枝晶端部的温度开始时上升，当生长速度足够高时，枝晶端部的温度会重新下降到平衡的固相线温度。此时的固相成分又回到合金的原始成分，凝固前沿亦重新成为平界面，表明合金凝固进入了“绝对稳定界限”2020/1/317•如果凝固速率不仅达到了“绝对稳定”界限，而且超过了界面上溶质原子的扩散速率，即进入完全的“无偏析、无扩散凝固”时，可在铸件的全部体积内获得完全不存在任何偏析的合金•如果冷速不够快，局部区也会出现胞状晶或树枝晶的组织，但是这些胞状晶或树枝晶与常规合金相比已大大细化，因此表现出来的显微偏析的分散度也很大2020/1/3184.形成亚稳相（非平衡相）亚稳相的晶体结构可能与平衡状态图上相邻的某一中间相的结构极为相似，因此可看成是在快速冷却和大过冷度条件下中间相亚稳浓度范围扩大的结果。也可能形成在平衡状态图上完全不出现的亚稳相。出现何种亚稳组织，决定于不同相析出时所需的热力学及动力学条件的竞争，当然也就决定于冷却速度和过冷度2020/1/3195.高的点缺陷密度•固态金属中点缺陷的密度随着温度的上升而增大•在液态下原子有序排列程度的突然降低，液态金属中的“缺陷密度”比同温度下的固态金属高得多•在快速凝固的过程中，会较多地保存在固态金属中2020/1/31106形成非晶态合金液态金属为短程有序排列结构，原子有极高的迁移速率。采用极快的冷却速率冷却，可能导致金属在凝固后保留液态时结构。Duwez等人用液态急冷法使接近共晶成分的Au-Si合金凝固成了非晶态材料。目前所能达到的冷却速率，只能使很少一部分合金能够抑制结晶过程而形成非晶态。原则上讲，只要有更高的冷却速率，就可以将所有合金系的合金凝固成非晶态。2020/1/3111关于形成非晶态合金的条件，一般认为有以下两点：A、由液态急冷获得的非晶态合金中大部分是由金属和半金属组成，并且半金属的原子百分比大约在20%左右。周期表中的半金属和非金属，如IVB族（Si，Ge等）与VIB族(S,Se,Te等)容易非晶化，由这些元素构成的合金（如As-Te-Se,As-Si-Te等）也容易非晶化。2020/1/3112B、从状态图上看，与纯金属元素的熔化温度相比较，共晶温度较低的合金容易形成非晶态合金。通常非晶态材料是指无机或有机玻璃等，现在又扩大到非晶态金属。非晶态金属具有如下主要特征：偏析倾向减小随着凝固速率的增大，溶质的分配系数将偏离平衡。根据Aziz理论模型，不论溶质分配系数k＞1还是k＜1，实际溶质分配系数总是随着凝固速率的增大而趋近于1，使偏析倾向减小或无偏析。2020/1/3113在晶体金属中，一般所见到的晶界、孪晶、层错等局部的不均匀性，在非晶态金属中不会出现，它的组织比较均匀且没有结晶异向性，所以非晶态金属是各向同性的材料。形成特殊性能当冷却速率极高时，结晶过程将被完全抑制，获得非晶态的组织。玻璃态金属是快速凝固技术应用的成功实例，它具有的特殊力学性能如表2-2所列。2020/1/3114同时也可获得特殊的物理性能，如超导特性、软磁特性及抗化学腐蚀特性。其中非晶金属玻璃作为磁屏蔽材料和变压器机芯材料在工业上得到应用。用非晶材料取代硅钢片制作变压器可使其内耗大大减小，解决了变压器在特殊条件下使用时的发热问题。2020/1/3115玻璃态金属的一些力学性能2020/1/3116•组织及结构－－极其可贵的优异性能。•扩大的固溶度、超细的晶粒度以及超细和高分散度的析出相，在机械性能方面表现出高强度及高韧性的特点，许多快凝合金具有超塑性。•固溶极限的扩大，可以避免某些严重危害使用性能的第二相的析出如在镍基高温合金中可遏制碳化物的析出；在铬不锈钢中可提高含铬量而不致引起相的析出，显著改善了耐蚀性能。•消除了偏析，疲劳裂纹的开始得以推迟，在高温合金中使早期熔化温度提高70~100℃，显著地提高了蠕变抗力。•快凝的不锈钢中超细的氮化物、硼化物等析出相，形成极强的钉扎效应，因而抗晶粒长大的性能极佳。•使不锈钢具有良好的抗辐照性能及在高浓度氦气氛中不易膨胀成为较理想的核反应堆内壁结构材料。•可以发展一系列新型的合金材料2020/1/3117作业•液相成形课程学习思考（选做题，电子版，发邮件）2020/1/3118作业1、聪明的金属，聪明的材料液体金属自我调节的巧妙之处，在加工过程中如何利用之、控制之