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1、材料与凝固,合肥工业大学材料科学与工程学院材料成形与控制工程系,内容提纲,、材料的分类及各行各业中的应用概述、新材料的发展趋势、凝固及其与材料的关系,.材料的分类及各行各业中的应用及地位,材料是划分人类文明发展进程的重要标志，史学家们曾据此将历史分为石器时代（约200万年）、青铜器时代（约3000年）、铁器时代（约2000年）。当今时代，由于科学技术飞速发展（所谓“知识大爆炸”）以及社会进步所带来的各个层面和各个领域新的、更高的需求，材料的品种、数量、质量在不断地增多与提高。,按材料的组成分类,金属材料：各类传统的和新型的钢铁材料；新型非铁（有色）金属及合金：铝合金、铜合金 锌合金、镁合金 钛
2、合金,按材料的组成分类,非金属材料：原料丰富、性能日趋提高，在结构材料中所占的位置日益重要。显示出比其它传统材料更大的发展潜力，使材料的效能进一步得以发挥。高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维等；韧化陶瓷、功能陶瓷、人造金刚石；各种复合材料；表面处理和涂层材料；.,按材料的功能分类,结构材料：除传统的结构材料外，而今在此基础上发展出超强、超韧、超硬、耐磨、耐蚀、耐高温等各类材料，以满足更严酷的使用条件，取得更长的使用寿命；半导体材料：问世半个世纪以来，发展成现今日新月异的集成电路，引发了电子、信息、通讯等领域的产业革命狂潮；各种换能、储能等新能源材料的出现已引起各国的普遍重视；激光晶体、超导材
3、料、光导纤维；电（磁）流变液材料、电（磁）致伸缩材料；形状记忆合金,按材料的功能分类,结构材料的应用举例机床工业,车 床,按材料的功能分类,结构材料的应用举例机床工业,龙门铣床,按材料的功能分类,结构材料的应用举例机床工业,压 力 机,按材料的功能分类,结构材料的应用举例机床工业,磨 床,按材料的功能分类,结构材料的应用举例机床工业,加工中心,按材料的功能分类,结构材料的应用举例工程机械,挖 掘 机,按材料的功能分类,结构材料的应用举例工程机械,振 动 压 路 机,按材料的功能分类,结构材料的应用举例工程机械,凿 岩 台 车,按材料的功能分类,结构材料的应用举例工程机械,南水北调工程开工现场,
4、按材料的功能分类,结构材料的应用举例发动机,中国第一台拥有自主知识产权的欧IV柴油发动机YC6L-40铝结构轻量化新型柴油发动机，采用了电控高压共轨燃油喷射系统,汽车发动机,按材料的功能分类,结构材料的应用举例发动机,B2是世界上第一台坦克用柴油发动机,坦克发动机,按材料的功能分类,结构材料的应用举例发动机,F110发动机美国F-15、F-16战斗机配用,战机发动机,按材料的功能分类,结构材料的应用举例发动机,18年磨一剑-中国某重点型号航空发动机定型,战机发动机,歼-10,按材料的功能分类,结构材料的应用举例发动机,船用发动机,按材料的功能分类,结构材料的应用举例,船用发动机曲轴,中船临港船
5、用柴油机生产基地一期工程预计2007年完成，届时将形成100万马力/年低速船用柴油机的生产能力；三期工程完工，将形成年产300万马力柴油机的生产能力。该基地主要建造气缸直径600mm以上的船用大功率低速柴油机，可建造目前世界上最大的14K1080MEC柴油机,按材料的功能分类,结构材料的应用举例,2万吨级船用螺旋桨,按材料的功能分类,结构材料的应用举例国家大型工程,三峡右岸70万千瓦水轮机转轮制造成功,按材料的功能分类,结构材料的应用举例国家大型工程,大亚湾核电站,按材料的功能分类,结构材料的应用举例国家大型工程,“中华01号”永磁悬浮路车模型-该模型是大连3000米永磁悬浮试验线路的仿真微缩
6、，专为城市之间的区域交通设计。列车在高架的磁轨上运行，设计时速230公里，既可货运，又可客运，适用于大都市圈交通运输,上海磁悬浮,按材料的功能分类,结构材料的应用举例国家大型工程,人造太阳八月放电成世界首例成功典范,按材料的功能分类,结构材料的应用举例国家大型工程,神州六号发射升空视频,按材料的功能分类,结构材料的应用举例桥梁等建设,南京长江大桥,宜宾金沙江大桥,钱塘江桥,九江长江大桥,按材料的功能分类,结构材料的应用举例舰船制造,哈尔滨号驱逐舰见证人民海军现代化的航迹,中国海军新型防空驱逐舰171号，防空导弹垂直发射系统清晰可见,基洛级常规动力潜艇是中国海军水下部队的王牌,按材料的功能分类,
7、结构材料的应用举例军用、民用飞机,按材料的功能分类,结构材料的应用举例军用、民用飞机,由我国自主研制的新一代歼10战斗机，采用了大量的新技术新工艺，性能先进，用途广泛。歼-10飞机分单座和双座两种，首批装备该飞机的空军航空兵部队，已成建制形成作战能力。,按材料的功能分类,结构材料的应用举例国防工业,中国“中华神盾”舰上装备的新型反舰导弹发射筒,“雷石”-6型滑翔式GPS制导炸弹,红箭73反坦克导弹,“雷霆”-2型500公斤级激光制导炸弹,各类武器亮相99年台湾海峡大演习,新材料的发展趋势,日新月异的现代技术的发展需要很多新型材料的支持!自从第三次科技浪潮席卷全球以来“新型材料同信息、能源一起被
8、称为现代科技的三大支柱!新材料的诞生会带动相关产业和技术的迅速发展甚至会催生新的产业和技术领域!材料科学现已发展成为一门跨学科的综合性学科,新材料的发展趋势,我国“863”高技术发展计划，材料是7重点之一。重大基础研究攀登计划30个重大课题有7个与材料直接有关。美国国防部曾提出20项关键技术，有5项以材料为主。当时美国白宫发布美国国家关键技术项目共6领域22项关键，材料为6领域之一：材料合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金5项为关键。,新材料的发展趋势,新材料的发展趋势,新材料的发展趋势,高性能特种金属材料:为适应高新技术发展需要,应运用材料科学的最新成果,不断改进传统材
9、料性能。新型金属材料不断涌现,尤其是在高性能结构材料和优异功能的特殊金属材料研究方面取得重大的进展,使得特种金属材料种类繁多,用途广泛。该材料重点项目发展方向如下:(1)高纯度、低偏析材料;(2)快速凝固金属与合金;(3)高强度、高表面硬度和韧性的耐磨材料;(4)纳米级超细金属及化合物粉材;(5)多功能复合粉末材料,金属多孔材料和金属纤维材料;(6)性能优异、多功能的金属复合材料。,新材料的发展趋势,3、高性能稀土材料:稀土材料具有独特的性质,是重要的战略物资,广泛应用于国民经济领域和国防工业,具有重要的经济效益和社会效益。该材料的重点项目发展方向如下:(1)新型高性能稀土永磁材料;(2)高性
10、能、大直径稀土高磁致伸缩材料;(3)稀土发光材料。,新材料的发展趋势,4、纳米材料纳米()是一种几何尺寸的度量单位,1=1/1 0 0 0 0 0 0。通过物理或化学方法将物质粉碎成纳米级微粒,然后进行合成所得到的材料称为纳米材料。由于纳米材料尺寸极其微小,表面积非常巨大,因而具有特殊的光、电、磁、热等特性。用纳米材料可以开发出新型高性能元器件,用于信息、生物、农业、航天及人们的日常生活中。比如，纳米存储材料,是传统存储密度的数百倍；纳米电缆材料；纳米发光材料（激光器）；纳米粉体材料，抗菌抑菌、红外保温、负离子释放、自清洁、阻燃和防水防静电；等等。,新材料的发展趋势,5、光导纤维光导纤维(简称
11、光纤)是由高纯石英掺杂、等元素组成的材料,是光纤通讯的重要组成部分。光纤通讯的基本原理是先把声音变为电信号,再由发光元件变为光信号,由光纤传向远方,最后由接收元件恢复为电信号,使受话机发出声音。光纤通讯的容量比同轴电缆的大2 0倍,中继距离长达百公里。且重量轻,易施工,节约资源,不受电磁干扰,保密性好,目前各国争相研究开发。,新材料的发展趋势,6、超导材料超导材料与技术的发展趋势是不断探求更高温度超导体,实现高温超导材料产业化技术在能源、电力、移动通讯、国防领域的应用。从目前国际上高温超导产业化应用的趋势来看,在继续改善第一代带材 的同时,各国正在努力研究开发一种在柔性金属基带上涂以YBCO
12、厚膜的涂层导体(第二代高温超导带材)。铋系高温超导线材目前已实现商品化,主要产业化核心技术由美国、日本、中国、德国等少数国家所掌握。我国铋系高温超导线材已实现产业化,在超导材料的应用方面如超导电缆、超导滤波器等方面取得了突破性进展。,新材料的发展趋势,7、新能源材料 新能源材料是发展新能源的核心和基础,发展方向是开发绿色二次电池、氢能、燃料电池、太阳能电池和核能的关键材料。研究热点和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。近年,我国在高性能锂电池材料方面取得重大进展,为我国锂电池产业更大发展,特别是锂动力电池的发展创造了有利条件,打破了
13、日本一统天下的局面,成为世界第2生产大国。,新材料的发展趋势,8、生物医用材料 随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和材料科学技术的迅猛发展与交互融合,新型和新概念生物医用材料层出不穷。药物控制释放材料、组织工程材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等代表了新的发展趋势和方向。,新材料的发展趋势,8、形状记忆合金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。常见的形状记忆合金有、等。已广泛应用于工业、
14、医疗及日常生活中。如发动机、机器人、人工心脏、外科整形器、热水控温阀、眼镜框、空调器等。在高科技领域也有很广泛应用，例如,在飞行器发动机的关键构件中,辅设形状记忆合金丝,利用丝加热产生巨大恢复力的特性可实现对裂纹的主动监控。,新材料的发展趋势,9、电(磁)流变体电(磁)流变体是一种通过改变电(磁)场强度,在毫秒之间实现液固转化,使液体变成具有一定剪切强度的固体的智能材料。这种流体是一种由很细的介电固体颗粒(1 1 0/)均匀弥散分布在绝缘介质中形成的悬浮液体。其机理是电(磁)场诱导固体粒子极化并发生相互作用,使流体的流变特性突变。电(磁)流变体材料的液固转化可逆性随外加电(磁)场改变可连续调控
15、,是机电一体化的理想材料。电(磁)流变体中的介电固体颗粒主要有:金属、陶瓷、半导体、高分子材料等;而液体载体有矿物油、硅油、石蜡油、变压器油等。电(磁)流变体可用于制作液压阀、离合器、减振器、刹车器、柔性机械夹具、智能复合材料等。,新材料的发展趋势,10、复合材料：颗粒、纤维或薄膜材料往往不能单独使用,常常与金属或非金属基体材料结合在一起使用,这种材料称为复合材料。这里简要介绍定向凝固复合材料。将共晶合金用定向凝固方法可制成复合材料。研究出发点是,合金在高温下晶界处极易破坏(蠕变),因此高温情况下希望晶界尽可能少些。定向凝固合金沿晶粒生长方向晶界少,延性增加,同时屈服强度、破断应力及蠕变强度都
16、增加,疲劳寿命可延长 1 0 0倍。基于上述原理把、等塑韧性良好的金属与碳化物、金属间化合物一类硬材料通过定向凝固得到具有交互层次组织的复合材料可大大提高其综合性能。另外,一般复合材料在高温下金属与纤维界面会发生反应,使热稳定性恶化,而通过定向凝固得到的平衡反应型复合材料则具有良好的热稳定性。,凝固及其技术发展,凝固,是极为普遍的物理现象。物质凡由液态到固态的转变一般都经历凝固过程,广泛存在于自然界和工程技术领域。从雪花凝结到火山熔岩固化，从钢铁、有色金属冶金生产中单铸锭及连铸锭的结晶到材料成形领域铸件及焊缝的凝固,高分子塑料、橡胶在模具中的固化，以及高技术领域的超细晶、非晶、微晶材料的快速凝
17、固,半导体、激光晶体、超导体等功能材料的生长,均属凝固过程。可以说几乎一切金属制品及大部分非金属零件在其生产流程中都要经历一次或多次的凝固过程总之，凝固与材料制备及研发息息相关。,凝固及其与材料的关系,对凝固过程的控制，是基础科学与工程体系的发展的交叉学科。是建立在现代科学及技术基础上的知识体系,不断地以数学、物理学、化学及工程科学的新成就充实自己,同时又不断从冶金、晶体生长、材料科学、空间科学、化工、机械、电子、信息、计算科学等领域汲取营养。其应用目标是以控制组织结构为核心,进而控制形状并获得所需要的性能。,凝固及其与材料的关系,凝固及其与材料的关系,凝固及其与材料的关系,凝固科学与技术的核
18、心 晶体的形核及生长,凝固及其与材料的关系,单个等轴晶的形成-四角生长,凝固及其与材料的关系,单个等轴晶的形成-六角生长,凝固及其与材料的关系,等轴晶的形成,凝固及其与材料的关系,单个等轴晶的形成-各向异性,凝固及其与材料的关系,树 枝 状 晶 生 长,凝固及其与材料的关系,海 藻 状 晶 生 长,凝固及其与材料的关系,分支及择优生长,凝固及其与材料的关系,树枝状晶生长实拍情景,凝固及其与材料的关系,铝硅共晶合金的共生生长,凝固及其与材料的关系,由于对高性能先进材料的需求和技术的进步，在极端条件下的凝固过程(快速凝固，极低速凝固)、特殊条件下的凝固过程(微重力凝固，超重力凝固，超高压凝固)，以
19、及纤维增强及颗粒增强金属基复合材料的凝固等方面进行了大量的研究。半固态铸造，定向凝固，激光小体积高能量重熔条件下的凝固（表面处理或焊接），零维（粉体）、低维（线材、薄带及表面膜）和体材的快速凝固等先进工艺和技术相继诞生。,凝固及其与材料的关系,为有效控制结晶过程和凝固组织（形貌控制和晶粒细化），采用:孕育处理、变质处理技术 深过冷技术 熔体处理技术 机械及超声波振动 电磁液相搅拌 半固态凝固 高压、超重力或微重力等极端条件下凝固 定向凝固技术 快速凝固,凝固及其技术发展,凝固及其技术发展,Fig.9.Comparison of non-modified and Sr modified Micr
20、ostructures of AlSi11%Alloy,凝固及其技术发展,a）变质前,x1000 b)0.1%Sr变质后,x2000 Al-Si共晶合金Sr变质前后的共晶Si形态,凝固及其技术发展,Fig.2.Optical micrographs of the undercooling and quenched Fe20 at.%Ga droplets with undercooling of(a)53 K;(b)123 K;(c)173 K;(d)221 K;,Using electromagnetic levitation melting combining fluxing method
21、,凝固及其技术发展,Fig.3 Morphological change of Bi-Sb10wt%alloy at different melting condition,(a)sample A-700C(b)sample D-1100-700C,凝固及其技术发展,Fig.3.The microstructure of Sn-40%Bi alloy magnified 400 times;(a)holding at 1000-650,(b)holding at 650,凝固及其技术发展,在开发ZnSe蓝光发射激光二极管单晶材料中，人们发现熔体热历史对材料的晶体缺陷（孪晶等）形成及光电性能有致
22、关重要的影响In developing semiconductors,the thermal history of the melt was shown to have a decisive influence on the defect formation during crystallization and qualities of ZnSe-based blue light-emitting diodes,凝固及其技术发展,定向凝固:现代凝固理论中，如：凝固过程中的溶质再分配理论，成分过冷理论,-理论,-理论等;结构材料中，如航空、航天发动机高温Ni基合金单晶叶片，Ti-Al、Ni-Al
23、合金材料的定向凝固;电子信息材料的半导体单晶生长;金属间化合物功能材料定向凝固（如NdFeB永磁合金晶体择优生长）;熔体织构定向凝固,如YBCO高温氧化物超导材料;超精细控制定向凝固高温结构陶瓷定向;,凝固及其技术发展,定义：快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。,快速凝固,1960年美国加州理工学院的P Duwez等采用一种独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于107K/s的冷却速度下凝固。他们的发现，在世界的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的广阔的研究领域。在快速凝固条件下，凝固过程的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。经典凝固理论中的许多平
24、衡条件的假设不再适应，成为凝固过程研究的一个特殊领域。,非平衡凝固的现象,1、偏析形成倾向减小 随着凝固速率的增大，溶质的分配因数将偏离平衡，其趋势是不论溶质分配系数k1还是k1，实际溶质分配因数总是随着凝固速率的增大趋近于1，偏析倾向减小。2、非平衡相的形成 在快速凝固条件下，平衡相的析出可能被抑制，析出非平衡的亚稳相。3、凝固组织细化 大的冷却速率不仅可以细化枝晶，而且由于形核速率的增大而使晶粒细化。随着冷却镀铝的增大，晶粒尺寸减小，获得微晶，乃至纳米晶。4、微观凝固组织的变化 在凝固过程中，冷却速率的变化会对凝固组织产生影响，当达到绝对稳定的凝固条件时，可获得无偏析的凝固组织。除此之外，
25、大冷却速率还可以使析出相的结构发生变化。随合金类型与成分的变化，相同成分的合金在不同冷却速率下可获得不同的组织。5、形成非晶态组织 当冷却速率极高（凝固条件适当）时，结晶过程将被完全抑制，获得非晶态的固体。,快速凝固方法,1.动力学急冷法2.热力学深过冷法3.快速定向凝固法,新型金属（合金）材料,1、金属间化合物2.非晶态合金3.准晶态合金4.纳米材料,动力学急冷法,在动力学急冷凝固技术中，根据熔体分离和冷却方式的不同，可以分成雾化技术、模冷技术和表面熔化及沉积技术三大类。,原理：通过提高熔体凝固时的传热速率从而提高凝固时的冷却速率，使熔体形核时间极短，来不及在平衡熔点附近凝固而只能在远离平衡
26、熔点的较低温度凝固，因而具有很大的凝固过冷度和凝固速率。,热力学深过冷方法,1、乳化法2、两相区法3、电磁悬浮熔炼法4、落管法5、微重力法6、循环过热净化法7、熔融玻璃净化法8、化学净化法9、复合净化法,说 明,三峡右岸70万千瓦水轮机500吨转轮制造成功-三峡水力发电机组单机容量达700M W,主要核心部件大型水轮机叶片长5500mm,宽5100mm，进水边到出水边最大落差5080mm，旋转直径9950mm，需由63吨不锈钢水一次浇注成型，是混流式叶片中等级最高的大型叶片。由于叶片边沿尺寸特大，几何形状复杂，设计难度高，钢水冶炼精度高，其制造技术目前仅为国外少数几家大公司所拥有,非晶态固体的
27、形成,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,块体金属玻璃的性能特征,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(8402100 MPa)、高硬度、高耐磨性、高断裂韧性(122135 kJ/m2)和低弹性模量(47102 Gpa)。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。,高比强度,2倍于
28、钛合金高比强度、高比模量,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、电抗器、滤波器、互感器、及传感器等。,非晶的制备与应用,大块非晶(BMG)的历史,1960年世界上第一出现了用急冷方法制备的非晶合金薄带到1989年以前，除了Pd 和Pt基贵金属外，没有得到毫米尺寸的块状非晶1993年Inoue 和Johnson几乎同时开发出了临界直径超过10毫米的Zr基快体非晶1995年铁磁性的大块非晶出现1997年Inoue等制备了目前报道的最大尺寸的大块非晶（72mm)2004年,张博研究出一种新型RE基块体非晶材料，是国际上第一例中国人所开发出的此类材料。NATURE对其意义如此评论这是迄今为止人类开发出的最便于加工成型的合金材料，堪称金属塑料。,在功能结构材料方面的应用用于舰船等要求高强度和高耐腐蚀结构件,(a),(b),Mg-Ca-Al和Mg-Cu-Y块体非晶与几种商业化Mg基合金的(a)比抗拉强度和(b)抗腐蚀性的比较,在军工方面做为穿甲弹材料已列入美国国防部研究计划,Fe基非晶合金,
