快速凝固技术和其在材料制备

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1、金属凝固原理题目：快速凝固的理论研究及其在材料制备中应用专业：材料工程学号：2013730030姓名：刘丽娜快速凝固的理论研究及其在材料制备中应用摘要：快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段,同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放，不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实

2、际生活、生产要求的合金。着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。快速凝固技术一般指以大于105K/s-106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织

3、和结构特征。关键词：快速凝固理论研究组织特征快速凝固方法一引言随着对金属凝固技术的重视和深入研究,形成了许多种控制凝固组织的方法,其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段,同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放,不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的

4、合金。着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。快速凝固技术一般指以大于105K/s~106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。二凝固

5、过程理论研究2.1凝固过程中固液界面形态稳定性理论2.1.1成分过冷理论成分过冷理论起源于凝固过程中溶质原子在固液界面上的富集。这种富集的结果是在距固液界面前沿的液相中不同的距离内具有不同的溶质浓度，可由式表示。式中C为浓度；R为生长速度；D为溶质扩散系数；z为距固液界面的距离。Chalmers等人在假设液相中无对流时，解上式得液相中溶质浓度分布为CL=C0[1+()]式中CL为液相中溶质浓度；C0为原始浓度；k0为溶质平衡分配系数。在有对流情况下，Burtou等人得到液相中溶质浓度分布为CL=Cs[1+()

6、]式中Cs为固相中溶质的浓度；δ为流动边界层厚度。Rutler与Chalmers认为,出现成分过冷后，在平界面上形成小的凸起，进而发展进入到大的成分过冷区内，其凸起不断长大，平的界面被破坏。Bilonis等人则认为出现成分过冷后平界面上在位错的周围形成凹坑，凹坑发展为六角形沟槽，平界面从此被破坏。郡司好喜先生对成分过冷理论提出以下几个问题:首先，由于没考虑界面能的影响，不能估计在平界面上出现凹凸时过冷度的变化；其次，只考虑了液体内的温度梯度，而没有考虑固相中的温度梯度；再次，用成分过冷理论无法描述失稳后的界面

7、状态，也就是说成分过冷理论还不能十分准确地描述凝固过程中固液界面的状态。2.1.2界面稳定性动力学理论Mullins与Sekerka(简称为M-S)认为凝固过程中的固液界面原本就不是平的界面，是存在有很小凹凸的曲面，这个凹凸的大小随温度与溶质浓度的变化而变化，M-S将其称为扰动，并假设这种扰动按正弦波的形式分布，其界面方程为z=δsin(ωx)。式中δ为扰动振幅；ω为扰动频率。这样液相中的浓度及固液两相中的温度分布可由以下三个基本方程表示：(1)(2)(3)式中TS、TL分别为固体与液体中的温度；αL、αS分

8、别为液体与固体中的热扩散系数。考虑到界面曲率的作用，界面的温度为Ti=Tm+mCi-TmГK*。式中Ci为界面上的浓度；Γ=σ/L,σ为固液界面比表面能；L为结晶潜热;K*为界面曲率。假设Ti=T0+αδsin(ωx),Ci=C0+bδsin(ωx)。式中T0、C0分别为界面为平面时液体的温度与浓度；a、b为常数。解方程(1)、(2)、(3)，并利用边界条件可得扰动频率随时间的变化关系为:式中ω；；