外磁场对定向凝固枝晶组织形貌的影响 徐益民1，张伟强1，黄长虹2 1辽宁工程技术大学材料科学工程系，辽宁阜新 (123000) 2 沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳 (110168) E-mail: xuym2005@https://www.doczj.com/doc/0f1800806.html, 摘要：合金在外加稳恒横向磁场下的水平定向凝固过程中，改变外加磁场强度和固液界面移动速度可以影响合金凝固后枝晶一次臂间距变化，发现一次臂间距随外加磁场增大而呈现震荡波动增大现象，这种起伏波动是热电磁流体动力学效应与电磁制动效应共同作用的结果。 关键词：热电磁流体动力学效应；水平定向凝固；稳恒横向强磁场；一次臂间距 中图分类号：TG111.4 1. 引言 随着电磁冶金技术、磁流体动力学理论的不断发展，利用外加磁场控制金属凝固过程中的热量、质量、动量传输及液态金属成型过程得到人们的广泛重视。对于多相合金，温度梯度、热电能差及热电效应将对金属凝固过程产生多方面影响。对于任意合金凝固过程，只要存在不同温度梯度和不同相之间的热电能差，Seebeck效应就将发挥作用进而产生电动力emf[1]，emf = - S th×Gradient(T) ，其中，S th为热电能，表明材料热电能力的大小，同种材料固相的热电能大于液相；合金中导电能力大的成分含量越多的相，热电能越大。该电动力（即电场）推动电荷运动形成热电流J th，J th/σ=-S th×Gradient(T)。当把外加磁场施加到合金凝固体系中时，外加磁场与速度场、热电流场复合将对糊状区枝晶网络及固液界面前沿产生复杂的作用和影响。一方面，外磁场与热电流复合产生推动溶质运动的热电磁流体动力学效应（TEHHD）[2]，形成热电磁流体速度场（J th×B）；另一方面，外加磁场与仅由温度梯度形成的液相对流速度场及新形成的热电磁流体速度场复合作用，产生抑止流体运动的磁制动效应（MHD）[3]，制动力大小分别与V×B和J th×B×B的大小相对应，第1项与B成正比，第2项与B2成正比。那么在某一特定凝固条件下TEHHD与MHD哪一个发挥主要作用及其发挥主要作用的控制条件的确定，将成为实际利用外磁场控制金属凝固过程首要解决的问题。同时，TEHHD与MHD的交互作用否存在相对稳定阶段以便于人为控制结晶组织形貌，也需要我们对其进行研究和验证。 2. 实验方法 将Al-4.0%Cu、Al-11%Si合金加工成φ14×140 mm的试样，每次取用1个装在φ16（内径）×150 mm石英坩埚内，两侧用石墨短棒封堵。安装坩埚到如下图1所式的水平定向凝固装置上。开启加热系统使试样充分熔融后，启动调速装置牵引整套定向凝固系统水平右移，使试样在固定不动的情况下由左到右依次进入冷却系统经历降温冷却过。在此过程的同时，施加横向稳恒磁场。这样，通过控制水平牵引速度、外加磁场强度参数，多组不同速
4、观察、描述矿物 教学目标： 1、引导和推动孩子开展观察、描述矿物的活动，积极鼓励孩子在课外或校外继续开展一些研究矿物的活动。 2、组织和指导孩子在课堂教学过程中经历一些基本的观察研究活动过程： 经历对金属、玻璃等物体进行光泽的观察和描述的过程； 经历对矿物进行光泽的观察和描述的过程； 经历对铜、铁、铝及矿物进行硬度比较的描述的过程； 经历对矿物条痕的观察和描述的过程。 3、指导孩子在学习过程中获取一些矿物光泽、硬度、条痕等方面的基本科学知识，鼓励孩子综合所学方法与知识开展应用性观察研究，让孩子在认知水平、技能水平和情感水平等方面都有充分的发展。 教学重点：能用所学方法与知识开展应用性观察、描述矿物。 教学难点：能对观察的矿物进行描述。 教学准备： 让孩子们准备铜钥匙、小刀、铅笔、矿物石及纸标签等。老师给每一小组提供一份材料，包括：铜片、铁钉、玻璃、泥土、丝绸，提供石英、长石、云母三种不同的矿物（可以自定），准备手电筒、普通瓷砖（或表面不发光的陶瓷）等。教学过程： 第一课时 一、引入 上节课我们知道岩石是由矿物组成的，那我们会对矿物进行描述吗？今天这节一起来学习几种简单的方法。 二、探究过程 1、观察矿物的光泽 ①观察玻璃的透光与反光 把玻璃平放在桌子上，用手电筒照射玻璃表面，你有什么发现？ 把玻璃用手竖着举起，用手电筒照射玻璃表面，你有什么发现？ （在这一环节中，通过观察"用手电筒照射玻璃"发生的现象，让学生了解物
体透光与反光的现象，并能够准确地描述出来。） ②观察不同物体的透光与反光 用研究玻璃的方法，观察研究砖头、泥土、铜片、丝绸等物体的透光与反光。 学生分小组开展探究活动。 汇报交流这些物体的透光与反光状况。 （在这一活动中，学生用"观察玻璃的方法"来研究其它的物体，应该不会有太大的问题。值得我们关注的是，要指导学生把观察到的现象描述清楚，这里隐含着一种比较描述的方法。这对于描述矿物有着重要作用。） ③观察矿物的透光与反光状况 请你仔细观察石英、长石和云母的透光与反光状况。 请你准确地描述这三种矿物的透光与反光状况。 出示煤炭，说说它是什么光泽？ 2、观察矿物的软硬 ①比较铜片、铁片和铝片的软硬。 用铜片和铁片相互刻划，你发现了什么现象？ 用铜片、铁片和铝片三种物体相互刻划，你又发现了什么现象？ 你能解释这些现象吗？试一试。 比较物体的软硬，一般有什么方法呢？ ②比较矿物的软硬 你有办法比较这三种矿物的软硬吗？ 请你选择自己感兴趣的一种方法进行比较。把矿物按从软到硬的顺序排列。 你观察到了什么现象？这说明了什么？ 3、观察矿物的条痕 ①观察铅笔的条痕 用铅笔在白色瓷板上划一划，你有什么发现？ 铅笔条痕的颜色与笔芯的颜色有区别吗？ ②观察矿物的条痕 用石英、长石和云母在白色瓷板上磨擦，你有什么发现？ 这些条痕的颜色与矿物外表的颜色一致吗？
定向凝固中的界面形态演化 引言 通常人们在研究金属及其合金的凝固时，由于金属本身的不透明性，使得人们无法动态实时观察金属内部凝固过程中凝固组织的演化与选择；而采用X射线透视或者原子力显微镜则代价较为高昂，也不可能获得对组织演化细节的清楚认识。由于熔体凝固时对流会造成材料组分上的变化，造成杂质条纹等缺陷。要获得高质量的材料，就要对凝固过程的熔体流动和其稳定性进行深入研究。借助实时观察方法对凝固过程进行实时原位观察，研究凝固过程中材料表面微观形貌和整体形态的变化以及流体运动，实现动态过程的可视化监测和测量，从中就可获得有关凝固的信息。 随着对凝固理论与晶体生长技术不断深入的研究，发现凝固形态是由晶体界面性质和凝固驱动力场的性质所完全决定的。界面性质决定了界面形态对驱动力场的响应性质，因而相似的界面性质在相似的驱动力场作用下将产生相似的动力学行为，从而导致相似的界面形态。 固--液界面可以分为两类[1]：规则界面和不规则界面。规则界面是指正常凝固条件下的平面、胞状和枝晶界面[2]。理论分析表明，只有当固--液界面能是各向异性时才能形成稳定枝晶界面[3]，通常情况下大多数材料是以稳定枝晶界面生长。 当晶体沿着一定的晶向生长时，如立方晶系的<111>晶向，固--液界面能接近于各向同性[4]，这时将会出现不规则界面。在这样的条件下，枝晶尖端常常随机分枝，分枝与枝晶干不对称，从而形成不规则界面。至今已经观察到几种不规则界面，如：倾斜枝晶界面、退化枝晶界面、海藻状晶体界面。 1实验方法 晶体生长室的最大平面放在x-y平面中，观察二维晶体生长。实验采用了丁二腈-5at%水来作为模拟晶体，测试开始前，试样加热至全部融化并静止一段时间冷却，使得试样内的熔质均匀化。温度通过采用SWP-T803数字控温仪控温，控温精度0.1°C，可在0°C到200°C范围内任意调节。加热至一定温度且保持恒定，试样内形成一定的温度梯度，试样放在温度梯度场中。晶体中温度的测量利用热电偶，晶体生长过程中，根据晶体界面的位置移动热电偶的位置，记录温度值，即可获得温度梯度值。 实验系统见图1，试样放入定向固系统中，使用CKX41型浮雕相衬显微镜可
《观察、描述矿物（一）》说课稿 《观察、描述矿物（一）》是四年级下册《岩石和矿物》单元的第四课。在这一课里，学生们将要学习几种观察和描述矿物的新方法，而这些方法的学习需要依托学生的原有经验。因此，我就围绕“引导学生依托原有经验，学习新的观察方法”这一主题来说说这一课。一、说教材与学情 《岩石和矿物》单元分2个学习专题——岩石专题和矿物专题，《观察、描述矿物（一）》一课属于矿物专题。是在学生学习了岩石专题以后，知道了“岩石是由一种或几种矿物组成的”知识基础上开始学习的，是矿物专题的起始课。在本节课中要学习的几种观察方法，是学生开展矿物探究活动的必要技能。 《观察、描述矿物（一）》一课教材安排了两部分活动内容， 第一部分是观察、描述矿物的颜色和条痕。 观察和描述矿物的颜色比较简单，作为四年级的学生，已经有了充分的观察经验，对于矿物颜色的观察和描述应该已经驾轻就熟。所以，这部分活动的重点应落在观察和描述矿物的条痕上。对学生来说，“条痕”是一个全新的概念，也是一个容易混的概念。它是指矿物粉末的颜色，不是指矿物的纹理。教材中是这样说的：“把矿物放在白色瓷板上摩擦，瓷板上留下的痕迹就是矿物的条痕。”瓷板上留下的痕迹指的就是矿物留在瓷板上的粉末，而不是瓷板上的划痕，这一点在教学中也需要强调。同样，条痕的观察方法也是新的，需要在瓷板上摩擦后，再观察粉末的颜色。学习这种观察矿物的新方法，需要依托学生观察颜色的已有经验。 第二部分是观察矿物的软硬。 观察矿物的软硬，教材介绍了两种方法。第一种方法，是几种矿物之间的相互刻画，比较几种矿物之间的相对硬度。这种方法，学生在三年级比较材料硬度时已经学过，是学生的原有经验。第二种方法，是用指甲、铜钥匙和小刀刻画矿物，看矿物是否留下划痕，来判断矿物的绝对硬度。科学家将矿物的硬度分为10个等级，而教材安排时，考虑到校学生的实际情况，将10个等级简化为4个，即“软、较软、较硬、硬”。两种方法有联系，又有区别。相同点是都通过刻画矿物的表面来比较判断矿物的软硬；不同点是第一种方法矿物间的比较，获得的是相对的硬度，第二种方法是与硬度标准的比较，获得的是硬度等级。从“相互刻画”到“测试硬度等级”，使把测试的方法从学生的经验入手，然后引导到科学方法上来。从这个意义上讲，第一种方法是学习第二种方法的基础，第二种方法是第一种方法的拓展和提升。因此，学习和运用第二种方法是第二部分内容的重点。 二、说目标与重、难点 基于以上教材和学情的分析，我确定了以下教学目标： 1．概念目标 颜色、条痕、软硬是矿物的重要特点，也是识别矿物的重要依据。 在识别矿物时，矿物的条痕比矿物的颜色更可靠。 2．过程与方法 依托原有经验，学习观察和描述矿物条痕及软硬的新方法。 尝试用新的方法来判断矿物的条痕和软硬。 3．情感态度和价值观 认识到掌握好的方法，可以使科学研究更加准确可靠。 在这些教学目标中，“依托原有经验，学习观察和描述矿物条痕及软硬的新方法”是本节课的教学重点。认识“在识别矿物时，矿物的条痕比矿物的颜色更可靠。”以及明确“测试硬
定向凝固技术及其应用 1.定向凝固理论基础及方法 定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。这个条件可通过下述措施来满足：（1）严格的单向散热。要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。（3）要避免液态金属的对流。搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。 定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。定向凝固技术最大的一个成果之一就是涡轮叶片的生产，这直接促进了高温合金材料设计上的巨大进步。自从这个突破后，一系列的定向凝固技术，比如：快速凝固技术（HRS），液态金属冷却（LMC）等可以提高定向凝固组织都发展起来。如今，定向凝固理论是一种重要的材料制备方法和一种研究凝固现象的有利工具。因此，研究和开发新的定向凝固方法吸引了世界范围内的材料工程师和科学家。 定向凝固方法主要有以下几种： （1）发热剂法。将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立自下而上的 凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此该法只能制备晓得柱状 晶铸件。 （2）功率降低法。铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动。当型壳被预热到一定过热度时，向型壳中浇入过热金属液，切断下部电源，上部继续 加热。温度梯度随着凝固距离的增大而不断减少。 （3）快速凝固法。与功率降低法的主要区别是铸型加热器始终加热，在凝固时铸件与加热器之间产生相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套。 在挡板附近产生较大的温度梯度。与功率降低法相比，该法可大大缩小凝固
定向凝固技术的研究进展 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此．包括成分调整在内，人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能，控制凝固过程已成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料，因而自它诞生以来得到了迅速的发展[1] ，目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产[2-3] 。同时，由于定向凝固技术的出现，也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础(由于理论处理过程的简单化)，因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。此外，定向凝固组织非常规则，便于准确测量其形态和尺度特征。 本文评述了定向凝固技术的发展过程及其在材料的研究和制备过程中的应用，指出了传统定向凝固技术存在的问题和不足，并介绍了在此基础上新近发展起采的新型定向凝固技术及其应用前景。 1 传统的定向凝固技术 1.1 炉外结晶法(发热铸型法) [4] 所谓的炉外结晶法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自上而下进行凝固，实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低，可用于制造小批量零件。 1.2 炉内结晶法 炉内结晶法指凝固是在保温炉内完成，具体工艺方法有：
1.2.1 功率降低法(PD法) [5] 将保温炉的加热器分成几组，保温炉是分段加热的。当熔融的金属液置于保温炉内后，在从底部对铸件冷却的同时，自下而上顺序关闭加热器，金属则自下而上逐渐凝固，从而在铸件中实现定向凝固。通过选择合适的加热器件，可以获得较大的冷却速度，但是在凝固过程中温度梯度是逐渐减小的，致使所能允许获得的柱状晶区较短，且组织也不够理想。加之设备相对复杂，且能耗大，限制了该方法的应用。 1.2.2 快速凝固法(HRS) [6] 为了改善功率降低法在加热器关闭后，冷却速度慢的缺点，在Bridgman晶体生长技术的基础上发展成了一种新的定向凝固技术，即快速凝固法。该方法的特点是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的性能得以提高，在生产中有一定的应用。 1.2.3 液态金属冷却法(LMC法) [7] HRS法是由辐射换热来冷却的，所能获得的温度梯度和冷却速度都很有限。为了获得更高的温度梯度和生长速度。在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固技术，即LMC法。这种方法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进行，能得到比较长的单向柱晶。 常用的液态金属有Ga—In合金和Ga—In—Sn合金，以及Sn液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验室条件下使用。Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的生产[8] 。
第25卷第10期中国有色金属学报2015年10月V olume 25 Number 10The Chinese Journal of Nonferrous Metals October 2015文章编号：1004-0609(2015)10-2613-10 Al-7Si-0.36Mg合金 定向凝固一次枝晶臂间距实验和模拟 陈瑞，许庆彦，柳百成 (清华大学材料学院先进成形制造教育部重点实验室，北京100084) 摘要：通过Al-7Si-0.36Mg合金定向凝固实验和元胞自动机模型，开展定向凝固枝晶形貌演化和一次枝晶臂间距选择过程的实验和模拟。结果表明：在给定的凝固条件下，一次枝晶臂间距范围是一个连续的变化区间。在恒定温度梯度和不同凝固速度条件下，测得Al-7Si-0.36Mg合金一次枝晶臂间距上限值(λmax)、下限值(λmin)和平均值(λave)以及生长速率之间的关系，且上限值和下限值的比值接近3。模拟结果与实验结果的吻合程度明显优于Hunt?Lu 等解析模型的预测结果，表明CA模型在枝晶定向凝固过程枝晶形貌演化模拟和枝晶臂间距预测等方面的准确性。 结合模拟研究和文献调研分析影响定向凝固一次枝晶臂选择的因素，包括抽拉速度v、温度梯度G、界面能大小、溶质扩散系数D L、枝晶生长取向与热流方向的偏离角度θ等。 关键词：定向凝固；枝晶臂间距；生长速度；元胞自动机；数值模拟 中图分类号：TG290 文献标志码：A Experimental and simulation of primary dendrite spacing in directional solidification of Al-7Si-0.36Mg alloy CHEN Rui, XU Qing-yan, LIU Bai-cheng (Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: The directional solidification dendritic morphology evolution and primary dendrite arm spacing selection process of Al-7Si-0.36Mg alloy were studied by directional solidification experiments and cellular automaton model. The results indicate that there is a continuous range of primary dendrite arm spacing under the given solidification condition. Under the condition of the given temperature gradient and various solidification velocities, the relationships between the primary dendrite arm spacing parameters (λmax, λave, λmin) of Al-7Si-0.36Mg alloy and growth velocity were expressed, and λmax/λmin≈3. The simulated results show a quite good agreement with the experimental results, which is better than predicted results of Hunt-Lu model. The comparisons reveal that the present CA model has a high accuracy in simulating the evolution of dendrite morphology and predicting primary dendrite arm spacing in directional solidification. Based on the predictions and related literatures, the factors influencing the selection of primary dendrite arm spacing, such as growth velocity v, temperature gradient G, interfacial energy effect, solute diffusion coefficient D L, as well as the deviation angle θbetween the dendrite growth direction, and heat flux direction were analyzed. Key words: directional solidification; primary dendrite spacing; growth velocity; cellular automaton; numerical simulation 基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2011CB706801)；国家自然科学基金资助项目(51374137, 51171089) 收稿日期：2015-01-12；修订日期：2015-05-16 通信作者：许庆彦，教授，博士；电话：010-********；E-mail: scjxqy@https://www.doczj.com/doc/0f1800806.html,
《观察、描述矿物一》教学设计 下库小学晏剑刚 教学目标 1.指导学生在学习过程中获取一些矿物颜色、条痕、软硬等方面的基本科学知识。 2.经历对矿物颜色和条痕的观察和描述、矿物互相刻划及用指甲、铜钥匙、小刀对矿物刻划进行硬度比较的描述的过程。 3.积极鼓励学生在课外继续开展一些研究矿物的活动。 教学重点 指导学生学习观察、描述矿物的颜色、条痕和硬度的方法。 教学难点 比较矿物的软硬。 教学准备 多媒体课件、铜钥匙、小刀、石墨（或铅笔）、黄铁矿（或黄铜矿）瓷砖、石英、长石、云母三种不同的矿物。 教学过程 一、激趣引课： 1.上节课我们已经知道岩石是由矿物组成的，现在每个小组都有一个矿物学具袋，你们想从哪些方面来观察、描述它们的特征呢？ （1）学生讨论交流颜色、形状、条痕、硬度厚度、气味…… （2）在这些方面里，哪些方面你觉得最能反映矿物的本质属性？ （3）通过讨论交流确定：板书颜色、光泽、软硬度...... （4）明确本节课的目标：观察和描述矿物的颜色和条痕及矿物软硬 2、揭课。这节课我们就从颜色条痕和软硬度来（观察、描述矿物）板书 二、讨论实验，探究新知。 （一）观察、描述矿物的颜色 1.请各组对矿物的颜色进行观察，并在组内互相说说。 2.各组汇报描述矿物的颜色。 3. （课件出示）石英等图片。光凭外表的颜色我们能够区别这些矿物吗？ 5、小结：颜色是最容易观察到的矿物的特征，也是辨别矿物的重要依据之一。有
些矿物具有多种颜色，有些不同的矿物却具有相同的颜色，有些矿物还是以它的颜色命名的，如褐铁矿、赤铁矿、黄铁矿等。 （二）观察、描述矿物条痕的颜色 1、条痕的概念：（出示课件）条痕是矿物在瓷板上擦划时留下的矿物粉末的颜色。而不是矿物刻画瓷板留下的刻痕。 2、老师演示实验学生纪录：从刚才观察的矿物中取出一种矿物（赤铁矿），演示实验它的外表颜色与条痕颜色完全不同。 将矿物放在白色瓷砖上擦划，观察瓷砖上留下的条痕的颜色。 提问：瓷砖上留下的颜色与我们观察到的外表的颜色一样吗？ 结论：条痕的颜色居然与矿物外表的颜色不一样。由此引出在识别矿物时，矿物条痕颜色比矿物外表颜色更可靠。（出示课件） 3、小组实验：小组内自由选择三种矿物分别在白色的瓷砖上擦划，观察描述条痕的颜色，并填在作业本的表格中。 4、各组汇报交流描述矿物条痕的颜色。 5、将同一种矿物的外表颜色与其条痕颜色进行对比，讨论有什么发现。 6、各组交流小结：有些矿物外表的颜色与条痕的颜色一致，有些比较接近，有些则完全不同，有些还画不上条痕。 7、了解几种矿物的条痕的颜色并试记。 8、教师小结：矿物外表的颜色有时会因为所含的杂质不同并不是矿物本身的颜色，它会受杂质、光线等因素的影响而发生变化，而矿物条痕的颜色却是固定不变的，所以在识别矿物时，矿物的条痕颜色比矿物外表的颜色更可靠。 9、刚才有同学说有些矿物画不出条痕，那是因为它们的软硬不同，这就限制了用条痕判断矿物时，只能是硬度比瓷板小的矿物。下面我们再来选择矿物的硬度进行观察、描述。 （四）观察、描述矿物的硬度
定向凝固 定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，也是制备单晶材料和微米级(或纳米级)连续纤维晶高性能结构材料和功能材料的重要方法。自20世纪60年代以来，定向凝固技术发展很快。由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。现代航空发动机的涡轮叶片和导向叶片是用铸造高温合金材料制成，这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方，这是因为晶界处原子排列不规则，杂质较多，扩散较快，于是人们设想利用定向凝固方法制成单晶，消除所有晶界，结果性能明显提高了。定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面，并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。 制备方法： 1. 发热剂法 定向凝固技术的起始阶段。 基本原理:将铸型预热到一定温度后，迅速放到水冷铜底座上并立即进行浇注，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，水冷铜底座下方喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，实现定向凝固。 2. 功率降低法 铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不动，在底部采用水冷激冷板。加热时上下两部分感应圈全通电，在加入熔化好的金属液前建立所要的温度场，注入过热的合金液。然后下部感应圈断电，通过调节输入上部感应圈的功率，在液态金属中形成一个轴向温度梯度。热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水带走。由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低，温度梯度在凝固过程中逐渐减小，所以轴向上的柱状晶较短。并且柱状晶之间的平行度差，合金的显微组织在不同部位差异较大，甚至产生放射状凝固组织。 3. 高速凝固法 装置和功率降低法相似，多了拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动，改善了功率降低法温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点；另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，挡板附近产生较大的温度梯度，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。 4. 液态金属冷却定向凝固 合金在熔炼炉内熔炼后，浇入保温炉内的铸型，保温一段时间，按选择的速度将铸型拉出保温炉，浸入金属液进行冷却。在加热系统和冷却系统之间有辐射挡板，确保将加热区和冷却区隔开，使固液界面保持在辐射挡板中心附近，以实现定向凝固。 5. 流化床冷却法 液态金属冷却法采用低熔点合金冷却，成本高，可能使铸件产生低熔点金属脆性。 6. 区域熔化液态金属冷却法 在液态金属冷却法的基础上发展的一种新型的定向凝固技术。其冷却方式与液态金属冷却法相同，但改变了加热方式，利用电子束或高频感应电场集中对凝固界面前沿液相进行加热，充分发挥过热度对温度梯度的贡献，从而有效地提高了固液界面前沿温度梯度，可在较快的生长速率下进行定向凝固，可以使高温合金定向凝固一次枝晶和二次枝晶间距得到非常明显的细化。但是，单纯采用强制加热的方法以求提高温度梯度从而提高凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速度提高有限。 7. 激光超高温度梯度快速定向凝固
观察、描述矿物（二） 一、教材分析： 教材《岩石和矿物》单元分2个学习专题——岩石专题和矿物专题，《观察、描述矿物（二）》一课属于矿物专题。本课重点是指导学生观察和描述矿物的透明度、光泽、形状。难点是观察、描述矿物的光泽。教科书内容的思路是先指导方法，然后实践运用。根据学生的认知特点，在指导方法时，充分运用学生的生活经验，通过观察常见物体的透光和反光情况，再过渡到观察矿物的透明度和反光情况。 第一部分:矿物的透明度和光泽教科书没有具体规定观察哪几种矿物的透明度，教师可选择当地容易找到的透明、半透明、不透明矿物供学生分组观察。第二部分:观察矿物的形状要说明的是:自然界中的矿物形态是多种多样的，不仅只有这几种。我们见到的矿物更多的是不规则的块状(矿物晶体很小，组合紧密，以致肉眼不能分辨)。同一种矿物的晶体有时会具有不同的形状。 二、学情分析： 本课是在学生学习了矿物颜色、条痕、软硬基础上学习的第二课时，重点要求学生通过一定的方法观察和描述矿物的透明度、光泽、形状。生活中学生对物体是否透明还是具有一定生活经验的，可以让学生先说说自己对物体透明度的理解，然后让学生区分透明、半透明、不透明。对光泽的观察与描述，学生比较陌生，可以从物体的反光情况引入。四年级学生对于观察有明显规则几何形体的矿物相对比较简单。因此，经过这节课后学生会学到几种重要的观察、描述和识别矿物的方法，培养观察研究岩石和矿物的兴趣。 三、教学目标： （一）科学概念： 1.矿物的透明度、光泽和形状是矿物的重要特性。 2.不同矿物的透明度、光泽和形状是不同的。 （二）过程与方法： 1.对矿物的透明度、光泽和形状进行观察、比较和描述。 2.在观察过程中能及时进行观察记录。 3.对观察到的现象进行分析和解释。 （三）情感、态度与价值观： 1.培养对矿物的观察和研究兴趣。 2.能认真细致地观察、比较、记录和描述。
定向凝固技术的研究进展 Ξ 杨 森 黄卫东 林 鑫 周尧和 (西北工业大学)摘 要:详细地评述了传统定向凝固技术的发展过程和存在的问题,介绍了几种新近发展起来的新型定向凝固技术,并指出了今后发展的方向。 关键词:定向凝固;电磁约束成形;深过冷;激光快速凝固 中图分类号:O 782+19 文献标识码:A 文章编号:1004-244X (2000)02-0044-06 材料的使用性能是由其组织形态来决定的。因此,包括成分调整在内,人们通过控制材料的制备过程以获得理想的组织从而使材料具有所希望的使用性能,控制凝固过程已成为提高传统材料的性能和开发新材料的重要途径。定向凝固技术由于能得到一些具有特殊取向的组织和优异性能的材料,因而自它诞生以来得到了迅速的发展〔1〕,目前已广泛地应用于半导体材料、磁性材料以及自身复合材料的生产〔2～3〕。同时,由于定向凝固技术的出现,也为凝固理论的研究和发展提供了实验基础(由于理论处理过程的简单化),因为在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化,从而可以分别研究它们对凝固过程的影响。此外,定向凝固组织非常规则,便于准确测量其形态和尺度特征。 本文评述了定向凝固技术的发展过程及其在材料的研究和制备过程中的应用,指出了传统定向凝固技术存在的问题和不足,并介绍了在此基础上新近发展起来的新型定向凝固技术及其应用前景。 1 传统的定向凝固技术 111 炉外结晶法(发热铸型法)〔4〕 所谓的炉外结晶法就是将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热,底部冷却,顶部覆盖发热剂的铸型中,在金属液和已凝固金属中建立起一个自上而下的温度梯度,使铸件自上而下进行凝固,实现单向凝固。这种方法由于所能获得的温度梯度不大,并且很难控制,致使凝固组织粗大,铸件性能差,因此,该法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、成本低,可用于制造小批量零件。 112 炉内结晶法 炉内结晶法指凝固是在保温炉内完成,具体工艺方法有: 第23卷 第2期2000年 3月 兵器材料科学与工程ORDNANCE MA TER I AL SC IENCE AND EN G I N EER I N G V o l .23 N o.2 M ar . 2000 Ξ收稿日期:1999-03-26 基金项目:国家自然科学基金资助项目:59771054 作者简介:杨森,博士,西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安,710072
定向凝固技术的发展与应用 摘要：定向凝固技术是指利用一定的设备，在一定的工艺条件下使材料的组织具有特殊取向从而获得优异性能的工艺过程。定向凝固技术是伴随着高温合金的发展而逐步发展起来的。本文综述了定向凝固技术的定向凝固理论，对比分析了不同定向凝固方法的优缺点，并从四个方面论述了提高温度梯度的途径，最后对定向凝固技术的发展及应用前景做了展望。 关键词：定向凝固；工艺特点；温度梯度；应用 1.引言 凝固是材料制备与加工的重要手段之一，先进的凝固技术为先进材料开发与利用提供了技术条件。凝固过程中包含了热量、质量和动量的传输过程，它们决定了材料凝固组织和成分分布，进而影响材料性能。近20年中，不仅开发出许多先进凝固技术，也丰富和发展了凝固理论。其中，先进凝固技术主要集中于如下几种类型：定向凝固、快速凝固与近快速凝固技术、外加物理场（压力场、电磁场、超重力或微重力场）中的凝固技术以及强制流动条件下的凝固技术等。 定向凝固技术是对金属材料进行凝固过程进行研究的重要手段之一，可用于模拟合金的凝固过程，制备高质量航空发动机定向和单晶叶片等。同时，也是研究固液界面形态及凝固组织行之有效的技术手段。 定向凝固技术的出现是涡轮叶片发展过程中的一次重大变革。铸造高温合金叶片的制造工艺经历了从等轴晶铸造到定向单晶凝固的发展过程，不仅在晶粒结构的控制上取得了很大进展，而且铸造性能也有了很大提高，常规的铸造高温合金尽管有较高的耐温能力，但材料的中温蠕变强度较低。定向凝固技术能够使晶粒定向排列，在垂直于应力方向没有晶界，同时由于沿晶粒生长的（001）方向具有最低的弹性模量，这样将大大降低叶片工作时因温度不均匀所造成的热应力，因此使蠕变断裂寿命和热疲劳强度得到很大提高，如DS Mar-M200+Hf比等轴晶合金热疲劳性能提高了8倍。此后，随着各种定向凝固技术的不断发展，固液界面前沿的温度梯度不断增大、冷却速率逐渐提高，定向生产的叶片综合性能也日益提高。 2.定向凝固理论
《观察、描述矿物(一)》教案 教学内容： 教科版四年级下册《观察、描述矿物（一）》。 教学目标： 1．观察与描述是认识物体的重要方法。 2．不同的物质有不同的属性，条痕、软硬是矿物的重要属性。 教学准备： 金属矿物若干、白色磁砖（背面无釉）若干、花生果、小木块、回形针、小刀等。 教学过程： 一、课堂导入 师：这节科学课按课程表的安排理应是第三课，但今天我们提前到第二节上课，这主要是今天全市优秀的青年科学来研究我们的科学教育。虽然上课地点放在了这里，但我们还应像平日上课那样，认真研究、积极发言，尽量不要受听课老师的干扰。好吗？ 二、了解观察与描述的方法 师：上课的时间到了，我想先来做个游戏，看看谁的本领大。 师：游戏是这样的：①等一会儿我请一名学生上台，我给他看一样东西（当然也可以动手摆弄甚至尝一尝），其它同学不充许看；②他看了东西以后，可以根据这样东西的颜色、形状、大小、结构、味道、用途等描述给同学听，但不充许说出这样东西的名称，③我们台下的同学可根据他的描述，猜猜这是一件什么样的东西。看谁最先说出这样东西的名称。听懂了吗？ （指一名学生上台观察与描述“花生果”，让台下的学生猜。如果这位学生不会观察与描述，可以再请一位，刚在的一位站在旁边观看。这样可以比较两位学生的观察与描述方法的差异。）（根据当时学生观察与描述的情况，可再增加对“橙子”的观察与描述） 师：刚在的游戏我们给它取个名称“观察与描述”（板书课题） 师：通过这个“观察与描述”的游戏，你能从游戏中懂得了什么？ （期望的答复：观察要细致、描述要正确，这是认识物体的重要方法。） 三、观察与描述矿物 师：今天，我还为同学们带来了一盒东西，有的你们可能见过，有的你们可能没有见过。（出示：金属矿物标本盒）
Al 4%Cu合金定向凝固枝晶/胞晶 转变速率的研究 Research of Dendrite/Cellular Int erfacial T ransitional V elocity in Directionally Solidified Al 4%Cu Alloy 屈 敏,刘 林,张卫国,赵新宝,张 军,傅恒志 (西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072) QU M in,LIU Lin,ZH ANG Wei g uo, ZH A O Xin bao,ZH ANG Jun,FU H eng zhi (State Key Labo rato ry of Solidificatio n Pro cessing, N orthw estern Polytechnical U niversity,Xi an710072,China) 摘要:通过实验和理论对比研究Al 4%(质量分数)Cu合金定向凝固胞晶/枝晶转变过程,得到胞晶/枝晶转变发生在尖端半径变化的拐点处。采用K GT模型与非平衡效应研究与胞晶/枝晶转变过程相对应的高速枝晶/胞晶转变特征。结果表明:尖端半径和界面温度均随抽拉速率的增加而减小,到达临界值后又急速增大。枝晶/胞晶转变发生在尖端半径和界面温度的拐点处,即在尖端半径和界面温度最小时发生转变;溶质截留在枝晶/胞晶转变过程中作用明显,大大减小了微观偏析。 关键词:定向凝固;枝晶/胞晶转变;界面温度;尖端半径;溶质截留 中图分类号:T G113 1;T G111 4 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2008)12 0001 05 Abstract:T he transition from cellular to dendrite w as obtained at the spindle o f tip radius by compa r ing experimental and theoretical study o n Al 4%Cu allo y during directional so lidification.It w as found that the tip radius fell quickly in cellular stag e but fell slow ly in dendr ite stag e.The KGT(W. Kurz,B.Giovano la and R.T rivedi)m odel and non equilibrium effect w ere applied to research the tip radius and interface tem perature in o rder to obtain the transitional char acteristic from dendrite to cel lular.The results indicated that the tip r adius and interface tem perature w ere both decreased w ith in creasing w ithdraw al rate,after r eached the cr itical points,finally turned to rise sharply.It w as even tually obtained that the transitio n from dendrite to cellular w as occurred at the spindle of tip r adius and tem perature,that w as the tip radius and tip tem perature reached minimum,V R min and V T min .Mo r eo ver,solute tr apping becam e obvious during the transitio n,w hich led to decrease o f microseg reg a tion. Key words:directional so lidification;dendrite to cellular transition;inter face temperature;tip radius; solute trapping 凝固界面形态演化与选择直接决定了实际材料和铸件的凝固组织特征和性能,由于定向凝固过程的可控性及其在凝固理论研究上的重要性,因此定向凝固界面形态演化及其稳定性一直是物理学家和材料学家关注的焦点之一。 1953年,Charm er s等[1,2]首先提出了成分过冷理论,该理论首次对胞晶和枝晶的形成提出了初步的解释,但是也存在着诸如把平衡热力学应用到非平衡的动力学之中等不足。鉴于这些问题,Millins和Seker ka[3,4]对此进行研究,得到界面稳定性的线性动力学理论。预言了快速的绝对稳定性现象。但是对更高温度梯度和凝固速率的演化规律,特别是凝固体系在靠近绝对稳定速度时的枝晶/细胞晶的凝固行为仍缺少解释。近来,郭景杰[5]采用相场模拟方法对T i55 Al45高速下形态演化进行研究,发现了胞枝晶/细胞晶转变现象。Xu[6]采用激光重熔、甩带法和Bridgman定向凝固三种方法得到了片状枝晶和细胞晶,但是该转变的系统条件均发生变化,不具可比性。以上工作虽然得到了枝晶/胞晶转变现象,但具有一定偶然性,对其他合金的转变速率无法起到借鉴作用,不具通用性。