第7章 金属基复合材料的凝固
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金属基复合材料非平衡凝固过程的研究金属基复合材料,这听起来像是科幻小说里才有的东西,其实离我们并不远。
想象一下,咱们平时用的手机壳、汽车发动机、甚至航天器的外壳,背后都离不开金属基复合材料的身影。
它不光是金属,里面还夹杂着其他材料,像是陶瓷、碳纤维、或者其他些啥东西。
这些不同的材料看似各自独立,但它们在一起能发挥出一种神奇的效果——强度高、耐腐蚀、耐高温。
简直就是“金刚不坏之身”的代表!但你要知道,搞这些高大上的材料可不简单。
要让它们发挥最佳效果,尤其是在“凝固”这一过程中,事情就复杂了。
凝固,对于金属来说,就是从液态变成固态的过程。
嗯,听起来简单吧?实际操作起来就不那么容易了,特别是当不同材料之间的相互作用复杂起来时。
这种非平衡凝固过程,可能就像是拿着调料桶胡乱撒盐,最后出来的味道也许好,也许差,谁知道呢。
金属基复合材料的非平衡凝固过程就像一个大厨做菜,火候掌握得好,菜肴鲜美;火候掌握不好,可能就炸锅了。
在凝固过程中,如果温度下降得太快,金属中的晶粒就会不均匀,导致材料的性能大打折扣。
你想象一下,这就好比你把一碗热腾腾的汤直接放进冰箱,汤里的脂肪和水分就会分层,结果汤一凉,喝着也就不那么舒服了。
同样的道理,金属基复合材料的凝固,如果没有控制好温度,金属中的不同组分也会出现分层,影响材料的性能。
更有意思的是,这个非平衡凝固的过程并不像你想的那样简单。
不同金属、不同成分,甚至微小的温度差异都能影响最终的凝固结果。
比如说,某些金属元素在液态时,可能比较喜欢和其他元素“亲近”,而一旦温度降低,它们就开始“疏远”,结果形成的固态结构就不如预期的那样坚固耐用。
这就像是你和朋友约好一起去爬山,结果到了山脚下,你和你的朋友因为一点小矛盾分道扬镳,结果山顶上啥也没看到,白跑一趟。
这个非平衡凝固过程不仅仅是在金属内部发生变化,表面也可能发生一系列微妙的变化。
比如表面温度降得比内部快,导致表面和内部的成分差异更大,这种差异就可能让金属的强度和耐腐蚀性都大打折扣。
金属基复合材料制备金属基复合材料是指以金属作为基体,并添加一种或多种金属、非金属或有机物作为增强相,经一系列工艺制备而成的一种新型材料。
金属基复合材料具有金属的导电、导热、强度高等优点,同时又能克服金属材料的缺点,比如低的自重和高的成本。
因此,金属基复合材料具有广泛的应用前景,并被广泛运用于航空航天、汽车制造等领域。
一种常见的制备方法是粉末冶金法。
这种方法首先需要制备金属和增强相的可压粉末,然后通过压制、烧结等工艺将其烧结成块状材料。
具体操作步骤如下:1.混合:将金属和增强相的粉末按一定比例混合均匀,可以使用球磨机等设备进行混合。
2.压制:将混合好的粉末放入模具中,并施加一定的压力,压制成所需形状的绿体。
压制的压力和时间要根据材料的性质进行适当的控制。
3.烧结:将压制好的绿体置于高温炉中进行烧结。
在烧结过程中,金属和增强相之间会发生扩散反应,从而形成金属基复合材料的相。
另一种常见的制备方法是熔体复合法。
这种方法利用金属的熔化性质,在熔融状态下将增强相加入金属中,并通过一系列工艺制备所需的金属基复合材料。
具体操作步骤如下:1.准备金属和增强相:首先需要准备金属和增强相的原材料,可以选择适当的金属粉末、非金属粉末或有机物。
2.混合:将金属和增强相的原材料混合均匀,可以使用球磨机等设备进行混合。
混合时,可以根据需要添加一些助熔剂或增塑剂。
3.加热熔融:将混合好的原材料置于高温炉中进行加热,使其达到熔融状态。
加热温度和时间要根据材料的熔点和熔化性质进行适当的控制。
4.凝固:将熔融状态的金属和增强相冷却至固态,并形成金属基复合材料的块状。
除了上述制备方法,还有其他制备方法,比如穿梭法、叠层法等。
这些制备方法在不同的材料和需求下有不同的适用性。
金属基复合材料制备中需要注意的一些问题包括原材料的选择、混合均匀性、压制参数的选择、烧结温度的控制等。
此外,制备中还需要对所得到的材料进行性能测试和微观结构观察,以进一步确认制备的成功与否,并对其性能进行评估。
《材料成型理论基础》课程教学大纲一、课程名称(中英文)中文名称:材料成型理论基础英文名称:Fundamentals for Materials Processing二、课程编码及性质课程编码:0809554课程性质:专业核心课,必修课三、学时与学分总学时:56学分:3.5四、先修课程工程材料学、传热学、流体力学、材料成形工艺基础五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设,也可以供材料科学与工程专业和电子封装技术专业学生选修。
六、课程教学目的(对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用)本课程是本专业的核心课程之一,其教学目的主要包括:1.让学生对液态成形、连接成形、固态塑性成形及高分子材料成形的基本过程有较全面、深入的理解,掌握其基本原理和规律。
2.了解液态金属的结构和性质;掌握液态金属凝固的基本原理,冶金处理及其对产品性能的影响。
3.掌握材料成形中化学冶金基本规律和缺陷的形成机理、影响因素及防止措施。
4.掌握塑性成形过程中的应力与应变的基础理论,金属流动的基本规律及其应用。
5.了解高分子材料的组织转变及流动、成形的基本规律。
表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点:教学重点:1)本课程以材料成形工艺的理论基础为主线,根据成形加工过程中材料所处或经历的状态,分为液态凝固成形、固态塑性成形、连接成形、塑料注射成形等几类,学习材料在成形过程中的组织结构、性能、形状随外在条件的不同而变化的规律性知识。
2)本课程着重利用前期所学的物理、化学等基础理论,以及传热学、流体力学等专业基础理论知识,学习液态成形、塑性成形、连接成形等基本材料成形技术的内在规律和物理本质,包括共性原理,同时也要注重个性规律性认识。
3)课程将重点或详细介绍三种主要材料成形方法中的主要基础理论和专门知识,阐述这些现象的本质,揭示变化的规律。
而对次要成形方法的基本原理或发展状况等只作简要介绍或自学。
4)重点学习的章节内容包括:第4章“单相合金与多相合金的凝固”(6学时)、第5章“铸件凝固组织的形成与控制”(6学时)、第7章“焊缝及其热影响区的组织和性能”(6学时)、第8章“成形过程的冶金反应原理”(6学时)、第11章“应力与应变理论”(4学时)、第12章“屈服准则”(6学时)。
1金属的凝固:凝固潜热;【以下内容基于纯金属】1. 液—固转变的驱动力?3G,取决于过冷度;2. 均匀形核的条件?过冷度,相起伏(规则排列的原子团起伏现象),能量起伏(1、瞬时,各微观体积能量不同;2、某微观体积,不同瞬时能量分布不同);3. 过冷度对均匀形核的形核率的影响方式?1、热力学:过冷度越大,晶核的临界半径及临界形核功越小;2、动力学:过冷度越大,原子活动能力越小;4. 金属结晶的特点是什么?(过冷度方面)达到某一过冷度之前,形核率的数值一直保持很小,几乎为0,此时液体不发生结晶,而当温度将至某一过冷度时,形核率突然增大,在此以上,液体处于亚稳定状态;5. 金属凝固的理论与生产实践过冷度分别为多少?0.2Tm ,和0.02Tm ,20℃;(非均匀形核)6. 为什么实际生产条件下非均匀形核时,过冷度要小很多?实际生产条件下,金属中难免含有少量杂质,而且溶液总要在容器或铸型中凝固,这样,形核优先在某些固态杂质表面及容器或铸型内壁进行;7. 为什么非均匀形核的形核率小于均匀形核的形核率?非均匀形核需要合适的基底,而基底数量是有限的,当新相晶核很快覆盖基底时,使适合新相形核的基底大为减少。
只有那些与晶核的晶体结构相似,点阵常数相近的固体杂质才能促进非均匀形核。
8. 晶体长大的驱动力是什么?系统总自由能随晶体体积增大而减小;9. 晶体长大的动力学条件是什么?晶界处的过冷度,即界面动态多冷度;2【以下内容基于固溶体合金】12. 合金凝固的条件是什么?合金形核的条件,除了需要过冷度、相起伏、能量起伏以外,还需要成分起伏;合金晶体长大的条件,动态过冷度和原子的互扩散;13. 请判断:固溶体的凝固就是匀晶转变过程。
14. 请描述固溶体平衡凝固的过程。
形核→相界平衡→扩散→破坏平衡→长大→相界平衡;如此反复进行;15. 请描述不平衡凝固的特点?固溶体不平衡凝固时,凝固速度越慢,液相中溶质混合越充分,凝固后溶质分布越不均匀,宏观偏析越严重。