2.4凝固与结晶理论的应用

2.4凝固与结晶理论的应用Theapplicationsofsolidificationandcrystallizationtheory2.4凝固与结晶理论的应用Theapplicationsofsolidificationandcrystallizationtheory•2.4.1铸态晶粒度的控制(Controlofcrystallinegraindegreeforcasting)•2.4.2定向凝固技术(Orientationsolidifyingtechnology)•本章小结（Summary）•“铁碳合金相图”课堂讨论提纲(Aclassroomdiscussingoutlineabout“iron-carbonalloydiagram”)2.4.1铸态晶粒度的控制(Controlofcrystallinegraindegreeforcasting)•晶粒大小称为晶粒度•晶粒大小对金属力学性能有很大影响。在常温下，金属的晶粒越细小，强度、硬度则越高;同时塑性、韧性也越好。表2.5列出了晶粒大小对纯铁力学性能的影响。由表可见，细化晶粒对于提高金属材料常温力学性能作用很大，这种用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。•但对于在高温下工作的材料，晶粒过大或过小都不好。而对于制造电动机和变压器的硅钢片等，则希望晶粒越大越好。因晶粒越大则其磁滞损耗越小，磁效应越高。晶粒平均直径/mm抗拉强度/Pa屈服强度/Pa伸长率/%9.7016.5*1074.0*10728.87.0018.0*1073.8*10730.62.5021.1*1074.4*10739.50.2026.3*1075.7*10748.80.1626.4*1076.5*10750.70.1027.8*10711.6*10750.0表2-5晶粒大小对纯铁力学性能的影响2.4.1铸态晶粒度的控制(Controlofcrystallinegraindegreeforcasting)•金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的。晶粒大小取决于形核的数目和长大速度。单位时间、单位体积内形成晶核的数目叫形核率(N)，晶核单位时间生长的平均线长度叫长大速度(G)。其比值N/G越大，则晶粒越细小。图2.24过冷度对N和G影响在工业生产中，常采用以下几种方法来控制晶粒度：1.控制过冷度N和G都与ΔT有关，增大结晶时ΔT，N和G均随之增加，但两者增大的速率不同，N增长率＞G增长率，如图2-24所示。在一般金属结晶时过冷范围内，ΔT越大，则N/G越大，因而晶粒越细小。但2.化学变质处理变质处理又叫孕育处理，它是在浇注前往液态金属中加入变质剂，促进非自发形核，抑制晶粒长大，从而得到细化晶粒之目的。3.增强液体流动法对即将结晶的金属，采用振动、搅拌、超声波处理等增强金属液体流动的方法，一方面是依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，这已成为一种有效的细化晶粒组织的重要手段。2.4.2定向凝固技术(Orientationsolidifyingtechnology)•定向凝固是控制冷却方式，使铸件从一端开始凝固，按一定方向逐步向另一端发展的结晶过程。目前已用这种定向凝固法生产出整个制件都是由同一方向的柱状晶所构成的零件，如蜗轮叶片等。由于沿柱状晶轴向的性能比其它方向性能好，而叶片工作条件恰好要求沿这个方向上受最大的负荷，因此这样的叶片具有良好的使用性能。为了获得单向的柱状晶，必须采用定向凝固技术。•图2-25表示快速逐步凝固法实现定向凝固的示意图。金属液体注入铸型后，保持数分钟以达到热稳定，在这段时间内沿铸件轴向造成一定的温度梯度，在用水激冷的铜板表面开始凝固，然后把水冷铜板连同铸型以一定的速度从加热区退出，直至铸件完全凝固为止。用这种方法获得的柱状晶比较细小，性能优良。←图2.25定向凝固装置示意图本章小结（Summary）•本章主要讨论机械工程材料凝固与结晶的基本规律，主要介绍了纯金属及其合金两个层次。•在纯金属结晶过程中，结晶的充分与必要条件、结晶的规律以及影响因素等必须明确；合金的结晶离不开相图，其中匀晶相图是基础、共晶相图是根本，而铁碳相图由于其在钢铁工业中作为基础而显得尤为重要。•在铁碳合金相图中：默画铁碳相图是前提，分析合金的结晶过程特别是钢的平衡结晶过程是基础，杠杆定律用于计算钢中相组分、组织组分的相对百分含量应做到灵活运用，铁碳合金的化学成分、相图与性能之间的关系莫忽略，反复练习与讨论，重中之重最关键。“铁碳合金相图”课堂讨论提纲Aclassroomdiscussingoutlineabout“iron-carbonalloydiagram”•1课堂讨论采用的方式、方法•铁碳相图是本课程的第一个教学重点。一方面，它是分析、研究各种铁碳合金的理论基础和重要工具；另一方面，又是由多种基本类型相图复合组成的一个二元合金相图实例。因此，铁碳相图是每位学生必须熟练掌握的基本内容。这部分教学主要采用“自学—课堂讨论—实验—总结”四环节教学予以保证。其中“自学”是“基础”，首先要围绕讨论内容，自学教材有关内容，写好发言提纲，做好充分准备；课堂讨论是“关键”，它是检验自学的试金石，主要采用“智力竞赛”课堂讨论。•课堂讨论题是依据讨论提纲中主要内容精心组织的，划分为必答与抢答题两大类，必答题为基础题，主要检查学生对铁碳相图有关基本知识掌握、记忆的熟练程度，以小组为单位，采取抽签订题、计时计分法，规定每学生只能答一题，以使更多学生得到锻炼；抢答题则具一定思考性，主要检查学生对该部分基本内容是否真正理解与融汇贯通，采用强答方式，限时记分法，在规定时间内，学生相互补充纠正，最后每题由教师评分、小结。课堂讨论结束后按小组、个人积分多少排列名次，优秀者奖励并记入课程总成绩。2.课堂讨论目的•（1）熟悉铁碳合金相图，明确相图中各基本相的本质以•（2）综合运用二元合金相图基本知识，通过对典型铁碳合金(重点是钢)结晶过程分析，进一步掌握相图的基本分析方法以及铁碳合金的室温平衡组织特征•（3）弄清相和组织的概念，灵活运用杠杆定律分别求出相组分、组织组分的相对质量分数；•（4）掌握铁碳合金(特别是钢)成分—组织—性能三者之间的关系。3.课堂讨论内容•（1）默画出经简化的铁碳合金相图，正确标注相图中各特性点的字母符•（2）熟知相图中重要特性点(P、S、E、C)、特性线(GS、ES、PQ、PSK、ECF)的含义(注意：温度、成分及反应式等)•（3）说明各基本相的本质，指出αFe与α、F相，γFe与γ、A相的区•（4）写出C、S点进行相变的反应类型、反应式，并说明其反应产物的名称，组织特征和主要性能特点。•（5）分析碳含量为0.45%、0.77%、1.2%的铁碳合金的平衡结晶过程(用文字和冷却曲线两种方式)，并画出其室温平衡组织示意图(标明各组织组分)，指出这三种合金的结晶过程有何相同之处，又有什么区别?3.课堂讨论内容•（6）总结杠杆定律的适用条件及一般情况下杠杆支点、两个端点的确定规律，灵活运用杠杆定律计算室温下含碳量为0.45%、0.77%、1.2%•（7）分清平衡状态下五种渗碳体的形成过程，弄懂渗碳体的形态、•（8）就铁碳相图中F、P、L′d、A、F+P、L′d+Fe3C、Fe3CⅠ、Fe3CⅡ等，说明哪些是相、组织、相组分、组织组分?相与组织的关系如何?•（9）总结铁碳合金(特别是钢)的成分—组织—•（10）参见教材中“习题与思考题”中的第8～144.课堂讨论方法指导•（1）讨论课前学生重点应对讨论内容充分准备并写出详•（2）智力竞赛式课堂讨论分为二轮比赛。•第一轮比赛为基本类型必答题(1～6题内容)，每题由各组派出代表参赛，定时计分抽签定题。在规定时间内看谁答得快、准确者优，同时允许(同组)其他同学补充、更正；•第二轮比赛主要在7～10题内容中选取，采用抢答方式，谁先举手谁抢答。5.课堂讨论注意事项•（1）讨论时，学生应踊跃发言，大胆阐述自己观点，不要企图一下子讲得完全、准确无误。通过讨论，同学们才•（2）因采取竞争方式课堂讨论，一定克服“分数第一”思想，要把着眼点放到搞清问题、掌握知识这一根本上，•（3）讨论中注意发言面广，已发言同学要鼓励未发言同学继续讨论，使讨论更具代表性、普及性。阅读材料2可流动晶体——聚合物液晶材料（Thefluidizedcrystal－polymerliquidcrystallmaterials）•1.何谓液晶材料？•“液晶”就是液态的晶体，或者说可以流动的晶体。•它具有与晶体一样的各向异性，同时又具有液体的流动性。它是介于液态和固态之间的一种热力学稳定相态，处于这种状态的物质称为液晶。•聚合物液晶是通过柔性聚合物链将小分子液晶连接起来而构成的，克服了小分子液晶稳定性差、机械强度低的缺点。2.聚合物液晶材料的形成•液晶是在1888年，首先由奥地利植物学家F·莱内泽在加热胆甾醇苯甲酸酯时发现的。当加热这种结晶化合物时，发现它在145．5℃熔化后，变成一种乳白色混浊且粘稠液体；直到178．5℃，这种乳白色浑浊粘稠液体才变得清亮透明。其后德国物理学家O·雷哈曼在莱内泽发现基础上，利用偏光显微镜对在145.5℃～178.5℃之间乳白色粘稠浑浊液体进行研究，发现它们具有晶体才有的双折射现象。O·雷哈曼称物质的这种状态为流动的晶体（态），于是“液晶”名字就成为流动晶体的简称。•直到1961年，美国无线电公司(RCA)的海尔梅尔在对向列型液晶与电场相互作用研究中，发现多种液晶具有电光效应。他们很快就转向技术应用，研制液晶钟表、数字和字符显示器等产品。•日本在得知液晶技术应用信息后，敏锐地看到其发展的巨大潜力，很快将液晶与大规模集成电路相结合，研制产品、打开市场，在20世纪70年代形成了液晶显示技术的强大产业。1972年美国杜邦公司采用液晶纺丝技术实现了高强、高模芳香族聚酰胺纤维“Kevlar”——第一个液晶分子的工业化生产，大大地推动了液晶聚合物的发展。1985年以来，美、日等国又相继实现了液晶高分子“Xydar、“Vectra”和“Ekonol”工业化生产，进—步促进了液晶的发展，从而使其被誉为“21世纪新材料”。3.聚合物液晶材料的应用•（1）用作结构材料•①高性能纤维材料如Kevlar纤维，由于具有高强度、高弹性，其比强度是钢的5倍、铝的10倍、玻璃纤维的3倍，并具很好抗蠕变、耐疲劳、耐高温和耐腐蚀性，美国主要用做避弹衣、头盔和航空航天结构件的增强材料。我国也开发出两种Kevlar纤维，用做防弹衣的生产中。•②液晶自增强塑料1984年秋，美国Dartco公司首先实现了全芳香族液晶共聚酯（Xydar）的工业化生产，液晶共聚酯在电子、电器、航空和航天等领域中，已得到越来越广泛应用。3.聚合物液晶材料的应用•（2）用作功能材料•①电子显示器件液晶显示技术是液晶的最重要用途。平板型结构使液晶显示与大规模集成电路相匹配，不但使便携式计算机和仪器仪表成为现实，而且适于大型薄片状显示装置。使用液晶显示的便携式计算机正在改变着人们生活，用液晶显示技术制造的高清晰彩色电视已走进千家万户，它们像画一样，挂在墙上。•②液晶无损探伤液晶能将温度、电场、机械应力等信号变成彩色图象，可检测材料内部缺陷和均匀性。（2）用作功能材料•③作为信息贮存介质如图2-26所示，若将存储介质制成透光的液晶存储材料，这时测试光照射上去将完全透过，证实没有信息记录（图A）。但用一束激光照射存储介质时，局部温度升高，聚合物被熔融为各向同性的熔融体并失去有序度。但当激光消失后，聚合物又凝结为不透光固体，信号被记录(见图B)。此时若测试光照射，将有部分光透过(见图C)，记录的信息将被永久保存。若整个存储介质重新加热到熔融态，分子将重新排列为有序，消除掉记录信息，以等待新的信息录入。用聚合物液晶作存储介质同日常光盘比较，由于后者存储信息依靠记忆材料内部特性的变化，因此不及液晶存储可靠性高，且不怕灰尘和表面划伤，适于长期保存。图中Tc1为清亮点温度，它是聚合物液晶熔体转变为各向同