凝固与新型材料03.

主讲人：吕海燕西安科技大学2020/1/51一凝固概述凝固的概念凝固的广泛性凝固过程复杂性二凝固科学与技术核心形核生长三单相及多相合金凝固单晶共晶包晶四新型材料磁性材料形状记忆合金非晶22020/1/5自然界的物质通常存在三种状态，即气态、液态和固态。在一定的条件下，物质可以在三种状态之间转变。物质从液态转变成固态的过程就是凝固一、凝固概述1凝固的概念2020/1/53凝固结晶由液态转变为固态的过程。结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。2020/1/54水凝结成雪花晶体2凝固现象的广泛性水的结冰、火山熔岩的固化、钢铁生产中的铸锭。几乎一切金属制品在生产中都要经历一次或以上凝固过程。2020/1/55液体金属（钢水）浇注后凝固成固体金属（铸锭）2020/1/56*SchematicofthermoplasticInjectionmoldingmachine塑料注射成形后的凝固2020/1/57体积改变外形改变熵值改变产生凝固潜热晶体结构改变发生溶质再分配3凝固过程的复杂性缩小3－5％更“整齐”2020/1/58发生溶质再分配2020/1/5910晶体的形核及生长2020/1/5熔化熵与晶体形态2020/1/5112020/1/5122020/1/513结晶规律：结晶过程是晶核不断形成和长大的过程晶粒立体长大液体中瞬时有许多规则排列的原子团，时聚时散长大形核晶核长大不断生成新晶核相碰晶粒多晶体晶体凝固的基本规律2020/1/514形核长大形成多晶体两个过程重叠交织过冷度2020/1/51516单个等轴晶的形成---四角生长2020/1/517单个等轴晶的形成---六角生长2020/1/518单个等轴晶的形成---各向异性2020/1/52020/1/5192020/1/520三单相及多相合金凝固不同凝固速率下DD407单晶高温合金的凝固界面形态G=360k/cmV=3.5μm/sV=6μm/sV=10μm/s2020/1/521V=50μm/sV=100μm/sV=400μm/s2020/1/5222020/1/5232020/1/5242020/1/525Al-12.6％Si共晶定向凝固组织（非规则共晶）2020/1/526(a)包晶反应示意图;(b)Cu-55%Sn合金包晶反应淬火界面,V=2µm/s;(c)淬火前保温1小时,V=10µm/s2020/1/527(a)离散带状;(b)部分或岛带状;(c)初生相向包晶相转变;(d)耦合共生生长;(e)新形核相离散分布;(f)振荡树状包晶凝固过程中各相形核、生长之间相互竞争与耦合的复杂性W.J.Boettinger,etal.ActaMater.2000,48(1):43~702020/1/528292020/1/5液态金属转变为固体金属的过程就是凝固过程，凝固过程主要是晶体或晶粒的生成和长大过程，所以也称结晶。从微观来看，凝固是金属原子从无序状态到有序状态的转变，也就是液体中无规则的原子集团转变为按一定规则排列的固态结晶体。从宏观来看，它是把液体金属储藏的显热和结晶潜热传输到外界，使液体转变为有一定形状的固态物质金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。小结2020/1/530材料的分类按状态分，材料可分为单晶、多晶、非晶、准晶和液晶。从组分的角度，材料则可分为金属、无机材料、有机材料、先进复合材料。从应用来看，材料可分为信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料等。目前常根据材料的用途，将材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料主要是以强度为主要性能指标构造受力构件所用材料。这类材料是机械制造、工程建筑、交通运输、航空航天等各种工业的物质基础。功能材料是指除强度外还具有优良的电、磁、光、声、热、力、生物医学等功能，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的材料，是新材料的领域的核心。四新型材料2020/1/531材料的多样性能源材料金属材料无机非金属材料光电材料有机高分子材料智能材料生物材料生态环境材料复合材料你知道那些材料？单晶多晶非晶准晶液晶建筑材料航空航天材料结构材料功能材料信息材料还有哪些材料？请补充！2020/1/532（1）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、超高密度态都具有磁性；（2）物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒子等都会具有磁性。（3）无限广袤的宇宙，无论是各个天体，还是星际空间都存在着或强或弱的磁场。例如：地球磁场强度约为240A/m，太阳的普遍磁场强度约为80A/m.1磁性材料2020/1/533许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌，鸽子，海豚，石鳖，蜜蜂，人的大脑等2020/1/534磁性流体及其应用（磁性液体）1963年，美国国家航空与航天局采用油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的四氧化三铁微颗粒上(直径约为10nm)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，好象整个液体具有磁性，因此，取名为磁性液体。磁性流体是一种新型功能材料电子、化工、能源、冶金、环保、医药、旋转轴、密封、扬声器、磁盘、轴承磁性液体的组成a)磁性流体b)吸附表面活性剂的磁性微粒1-基载液2-表面活性剂3-磁性微粒2020/1/535磁性流体主要特点：1.在磁场作用下，可以被磁化；2.具有液体的流动性，可以运动。3.在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。当光波、声波在其中传播时会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传播速度与衰减的各向异性，此外介电性质也会呈现各向异性。这些都是有别于通常液体的奇异性质。2020/1/536在宇宙飞船的外面常伸出一根轴，轴的端部固定着一架望远镜。飞船内部的压力是大气压力，而舱外的压力却是零，而且处在宇宙的低温下。在这种条件下，用最好的橡胶制成的密封件也只能维持几小时的寿命，而磁性液体密封件的寿命则实际上是无限的。磁性液体在非均匀磁场中将聚集于磁场梯度最大处，因此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位形成磁性液体“O”型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。2020/1/5372020/1/53839aIIb定向凝固速度为10μm/s时Nd13.5Fe79.75B6.75合金纵截面组织:(a)稳态;(b)包晶反应界面2020/1/5VabVdc片层畴纹取向代表易磁化轴方向（c）（d）Nd11.76Fe82.36B5.88V=1µm/s（a）（b）Nd13.5Fe79.75B6.75V=10µm/s纵截面横截面2020/1/540根据磁化率的大小、方向不同，把物质磁性分五类(1)抗磁性diamagnetism(2)顺磁性paramagnetism(3)反铁磁性oppositeferromagnetism(4)铁磁性ferromagnetism(5)亚铁磁性sub-ferromagnetism2020/1/541HC很低的材料称作软磁材料HC高的材料称作硬磁材料磁性材料的分类10-11101102103104105106软磁材料磁记录介质磁记忆材料半硬磁材料永磁材料半硬磁材料半硬磁材料按矫顽力的大小铁磁材料磁性材料广泛地应用于电子工业、电气工业以及通讯、测量、印刷、计算机等方面。近年来深入研究磁光、磁电、压磁和磁致伸缩、灯光功能转换材料，不断开发出各种磁转换器件。2020/1/542要求：降低材料的不均匀性——高纯原料，熔炼铸造工艺降低磁各向异性——非晶态合金种类：纯铁、硅钢Fe-Si,Fe-Al-Si,Ni-Fe,Fe-Co合金，非晶态合金、磁性陶瓷材料（铁氧体MFe2O4）应用：电磁铁磁头、电力变压器、发动机、电动机通讯变压器、微波器件、磁记录材料BHo特点：高的磁导率、低的矫顽力（Hc100A/m)和低的铁芯损耗。在磁场作用下非常容易磁化；取消磁场后很容易退磁化2020/1/543变压器变压器的铁芯处于不断变化的电磁场中，铁芯材料的磁化强度和磁感应强度也是不断改变的。这就自然要求铁芯材料对这种变化的阻力小，变化足够灵敏。所以，几乎对所有的变压器铁芯，都要求导磁率高。软磁材料的应用2020/1/544非金属氧化物----铁氧体铁氧体是含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈现出亚铁磁性。•由Fe2O3和其他二价的金属氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合烧结而成•磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，•剩磁接近于磁饱合磁感应强度•具有高磁导率、高电阻率•可作磁性记忆元件2020/1/545信息产业的飞速发展日益需要提供高性能的信息存储磁性材料——属于软磁材料。磁滞曲线，在给样品加上反向磁场后，样品不发生变化，直到磁场达到HC时，磁化突然发生。信息存储材料的正交磁滞曲线BHHC2020/1/5462020/1/547硬磁材料硬磁材料又称永磁材料，永磁材料是最早发现和使用的磁性材料。主要特点•这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。•剩磁很大；•具有较大的矫顽力，典型值Hc＝104～106A/m；•磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max；BHo利用永磁体的磁场，或通过磁场和载流导体、带电粒子、涡流等的相互作用，可以使一种能量转换成另—种能量，如磁与电、磁与机械等的能量转换，而得到广泛的应用。2020/1/548硬磁材料----磁场源或磁力源，提供磁空间闭合——不能提供磁空间空气隙----磁极（提供磁空间）最大磁能积越大，空气隙产生的磁场越大。硬磁材料：铁氧体、Al-Ni-Co，稀土-铁合金应用：扬声器、继电器、磁电机、电话、耳机、冰箱门封条、无线话筒、玩具1/2()dogBHVHgV2020/1/549硬磁材料主要应用用于制造各种永磁体，以便提供磁场空间；可用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料器和选矿器中。钕铁硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工业用硬磁材料最大磁能积最高者。其主要缺点是温度稳定性和抗腐蚀性稍差。钴基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5烧结永磁体和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它们的缺点是脆，加工性稍差。2020/1/5502020/1/5511961年美国海军军械实验室首先研究了Ni-Ti合金的形状记忆效应。1994年3月1日，秦始皇兵马俑二号坑正式开挖，在清理一号洞时发现一把青铜剑被一尊重达150kg的陶俑压弯，超过45度，当移开陶俑之后，2020/1/552532020/1/52020/1/554形状记忆合金随温度变化几何形状会发生突变,在低温马氏体状态合金较软,可适当变形,加热到逆相变温度以上时发生马氏体-母相转变,合金变硬并恢复到原来的形状,实现对外做功。三种形状记忆效应2020/1/55556液态可以以两种完全不同的方式固化：一是不连续到晶体固体，二是连续到非晶态固体2020/1/557与传统的晶态合金相比，块体金属玻璃具有许多独特的性能，主要表现在：1更为优异的力学性能，如高强度(840±2100MPa)、高硬度、高耐磨性、高断裂韧性(122±135kJ/m2)和低弹性模量(47±102Gpa)。2具有良好的加工性能，如在非晶转变温度附近，某些非晶合金具有超塑性。3具有更为优良的抗腐蚀性及化学催化性能。大块非晶合金抗多种介质腐蚀能力均有显著提高，因此可在一些更为恶劣的环境下长期使用。4具有更为优良的软磁、硬磁以及独特的膨胀特性等物理性能。2020/1/558高比强度2倍于钛合金高比强度、高比模量2020/1/559目前，大块非晶应用于国防军工、能源化工、航空航天和信息等领域；非晶超微晶软磁合金材料已制成各种各样磁性器件代替硅钢、铁氧体和坡莫合金等应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域，用作电流互感器、大功率开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器、电抗