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铸锭经过均匀化退火树枝晶转变为等轴晶的原因一、引言铸造工艺中的晶粒结构对材料的性能有着重要的影响。
铸锭经过均匀化退火后，树枝晶结构会逐渐转变为等轴晶结构，这种结构变化对提高材料的力学性能和疲劳寿命都具有积极影响。
本文将从热力学和动力学两个方面来探讨铸锭转变为等轴晶结构的原因。
二、铸锭结构的形成原理1. 热力学原理铸锭的结晶结构形成受到热力学原理的制约。
在均匀化退火过程中，铸锭受热后内部原有的树枝晶结构会因晶粒的再结晶而发生变化，最终形成等轴晶结构。
这种结构转变由热力学原理驱动，主要受温度和固溶度的影响。
2. 动力学原理除了热力学原理外，动力学原理也对铸锭结晶结构的转变起着重要作用。
在均匀化退火过程中，晶粒内部存在的位错和晶界迁移等动力学过程会影响晶粒的再结晶和成核过程，从而导致树枝晶结构逐渐转变为等轴晶结构。
三、等轴晶结构的优势1. 提高材料的力学性能等轴晶结构相比树枝晶结构具有更好的力学性能，包括抗拉强度、延展性和耐疲劳性等方面。
铸锭经过均匀化退火树枝晶转变为等轴晶后，材料的性能会得到明显提升。
2. 增加材料的疲劳寿命树枝晶结构中存在大量的晶界和位错，容易成为裂纹的起始点，降低材料的疲劳寿命。
而等轴晶结构的晶粒更加均匀，晶界较少，因此具有较高的抗疲劳性能。
四、总结和展望本文从热力学和动力学的角度探讨了铸锭经过均匀化退火树枝晶转变为等轴晶的原因，并分析了这种结构转变的优势。
通过深入理解铸锭结晶结构的形成原理，我们可以更好地控制和优化铸造工艺，提高材料的性能和质量。
未来，我们可以进一步研究晶粒的成长规律和晶界的稳定性，以期在铸造工艺中取得更大的突破和进步。
个人观点和理解：在铸造工艺中，晶粒结构的演变是一个复杂而精密的过程。
铸锭经过均匀化退火树枝晶转变为等轴晶结构，背后是热力学和动力学的相互作用。
这种结构转变使材料的力学性能和疲劳寿命得到提升，对于提高铸造材料的质量和性能具有重要意义。
我对铸锭结晶结构的形成原理有了更深入的理解，相信这将对我的工作和研究有所帮助。
锂-铜金属一体化复合负极材料1. 引言1.1 背景介绍锂离子电池作为当今主流电池技术之一，在移动通信、电动汽车、储能等领域发挥着重要作用。
而负极材料作为电池中的关键组成部分，对电池的性能和稳定性起着至关重要的作用。
传统的负极材料如石墨存在着容量低、循环寿命短、安全性差等问题，因此急需开发新型高性能、长循环寿命的负极材料。
本文将对锂-铜金属一体化复合负极材料的制备方法、性能分析、应用以及优化方法进行深入探讨，旨在为锂离子电池领域的研究和发展提供新思路和理论支持。
1.2 研究目的锂-铜金属一体化复合负极材料的研究旨在探究其在锂离子电池中的应用潜力，以及优化其性能和开发其未来发展方向。
具体而言，研究目的包括但不限于以下几个方面：考察锂-铜金属一体化复合负极材料制备方法的可行性和效率，探索制备工艺中的关键参数，以提高材料的制备效率和质量，从而为实际应用提供基础支撑。
分析锂-铜金属一体化复合负极材料的性能特点和优缺点，包括其电化学性能、循环稳定性、容量保持率等方面的表现，以便更好地了解该材料的潜力和局限性。
研究还旨在探索优化锂-铜金属一体化复合负极材料性能的方法，包括材料结构设计的改进、表面功能化处理、催化剂掺杂等方面的策略，以提高材料的电化学性能和循环稳定性。
研究还将探讨锂-铜金属一体化复合负极材料在锂离子电池中的应用前景和未来发展方向，为其在能源存储领域的进一步应用提供理论支持和指导。
通过对以上研究目的的深入探讨，旨在推动锂-铜金属一体化复合负极材料领域的研究和应用进展。
1.3 研究意义锂-铜金属一体化复合负极材料的研究意义主要体现在以下几个方面：1. 提高电池性能：锂-铜金属一体化复合负极材料具有良好的导电性和电化学性能，可以有效提高锂离子电池的能量密度和循环稳定性，从而延长电池的寿命并提高电池的充放电效率。
2. 节约资源：锂-铜金属一体化复合负极材料采用了铜金属作为基材料，相比传统的碳材料具有更高的比容量和更好的稳定性，可以减少对稀有资源的依赖，同时具有较好的环境友好性。
第53卷第6期2022年6月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.53No.6Jun.2022Cu 和Si 质量分数对铸态Zn-14Al 合金组织与性能的影响陈明明1，刘昕怡1，祝一帆1，艾宇浩1，林高用1,2(1.中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙，410083；2.中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南长沙，410083)摘要：采用XRD 、SEM 、流动性能测试和硬度测试等方法，研究Cu 和Si 质量分数对铸态Zn-14Al 合金组织与性能的影响。
研究结果表明：在铸态Zn-14Al 合金中，Cu 质量分数为4%~7%时，Cu 相主要为ɛ(CuZn 4)，其弥散分布在α-Al 树枝晶间；而Cu 质量分数为10%~13%时，存在2种含Cu 相，分别为ɛ相和呈五角星形的θ(CuAl 2)相；随着Cu 质量分数提高，合金中的共晶组织增多，合金的流动性能提高；含Cu 相维氏硬度比基体相(α，η)维氏硬度高约204，Cu 质量分数从0提高至13%时，合金中的硬质含Cu 相增多，第二相强化效果显著，抗拉强度和硬度分别提高了17.7%和48.7%。
合金中的Si 相主要以初晶硅的形式存在，随着Si 质量分数的提高，Si 相聚集成团生长，合金的硬度略微提高，但流动性能和抗拉强度下降。
Zn-14Al-10Cu 合金表现出最优的综合力学性能，即布氏硬度为140.8，抗拉强度为398.33MPa ，断后伸长率为4.1%，且该合金兼具良好的流动性能，可作为汽车零件试制模具用锌合金材料。
关键词：Zn-Al 合金；高硬度；显微组织；流动性能中图分类号：TG146.1+3文献标志码：A文章编号：1672-7207（2022）06-2017-11Effect of Cu and Si mass fraction on microstructure andproperties of as-cast Zn-14Al alloyCHEN Mingming 1,LIU Xinyi 1,ZHU Yifan 1,AI Yuhao 1,LIN Gaoyong 1,2(1.School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;2.The Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering,Ministry of Education,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:The effects of Cu and Si mass fractions on the microstructure and properties of as-cast Zn-14Al alloys were studied by XRD,SEM,flow property test and hardness test.The results show that in the as-cast Zn-14Al alloy,when the mass fraction of Cu is 4%−7%,the Cu-containing phase is mainly ɛ(CuZn 4),which is dispersed收稿日期：2021−09−30；修回日期：2021−11−27基金项目(Foundation item)：湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ4715)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(2021zzts0576)(Project(2020JJ4715)supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province;Project(2021zzts0576)supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University)通信作者：林高用，博士，教授，从事有色金属材料加工、模具设计和数值模拟研究；E-mail:****************DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2022.06.004引用格式：陈明明,刘昕怡,祝一帆,等.Cu 和Si 质量分数对铸态Zn-14Al 合金组织与性能的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2022,53(6):2017−2027.Citation:CHEN Mingming,LIU Xinyi,ZHU Yifan,et al.Effect of Cu and Si mass fraction on microstructure and properties of as-cast Zn-14Al alloy[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2022,53(6):2017−2027.第53卷中南大学学报(自然科学版)among theα-Al dendrites.When the mass fraction is10%−13%,there are two Cu-containing phases in the alloy,namelyɛphase and the pentagram-shapedθ(CuAl2)phase.With the increase of Cu mass fraction,the eutectic structure in the alloy increases and the fluidity of the alloy increases.The Vickers hardness of Cu-containing phaseis about204higher than that of the matrix phase(α,η).With the increase of Cu mass fraction from0to13%,the hard Cu-containing phase in the alloy increases.The second phase strengthening effect is remarkable and the tensile strength and hardness increase by17.7%and48.7%,respectively.The Si phase in the alloy mainly exists inthe form of primary silicon.With the increase of the Si mass fraction,Si phase aggregates and grows into agglomerates.The hardness of the alloy increases slightly,but the flow properties and tensile strength decrease. The Zn-14Al-10Cu alloy shows the best comprehensive mechanical properties.Brinell hardness is140.8,the tensile strength is398.33MPa and the elongation after fracture is4.1%.Moreover,the alloy has good flow properties,which can be used as zinc alloy material for the trial production of auto parts.Key words:Zn-Al alloy;high hardness;microstructure;flow properties在汽车、家电和机械等领域需要大量板材冲压件。
锂枝晶的成核和生长机制
锂枝晶的成核和生长机制是一个复杂的过程，受到多种因素的影响，包括离子浓度、电场、应力、温度等。
这个过程可以分为以下几个步骤：
1.离子沉积：当锂离子通过电解液到达电极表面时，它们会
按照一定的速度和方向沉积在电极上。
这个过程受到电解
液成分、电极材料、电流密度等因素的影响。
2.表面反应：在锂离子沉积过程中，电极表面会与电解液中
的物质发生反应，形成一层固体电解质中间相（SEI膜）。
这层膜对锂枝晶的生长具有重要影响，因为它可以控制锂
离子的传输和扩散。
3.锂枝晶成核：在锂离子沉积过程中，当沉积的锂离子足够
多时，它们会在电极表面形成锂枝晶的核心。
这个过程受
到温度、电流密度、电极表面的微观结构和化学性质等因
素的影响。
4.锂枝晶生长：一旦锂枝晶的核心形成，它就会在电极表面
不断生长。
这个过程受到温度、电场、应力等因素的影响。
在生长过程中，锂枝晶可能会与其他锂枝晶发生碰撞，形
成更长的枝晶。
5.枝晶网络形成：随着锂枝晶的生长，它们会形成复杂的网
络结构。
这个过程受到电解液成分、电极材料、电流密度
等因素的影响。
枝晶网络的形成会对电池性能产生重要影
响，因为它可能会影响电池的容量、寿命和安全性。
为了控制锂枝晶的生长，可以采取一系列措施，例如优化电解液成分、选择合适的电极材料、控制沉积电流密度和温度等。
此外，研究锂枝晶的成核和生长机制也有助于更好地理解电池性能和改进电池设计。
金属电池体系中锂枝晶1. 什么是锂枝晶锂枝晶是指锂金属在充放电循环过程中，在电极材料表面或内部形成的锂枝状晶体。
这些锂枝晶在电池充放电过程中不会稳定生长，而是形成分支和穿刺电解质层的结构，导致电池容量衰减和安全性问题。
2. 锂枝晶的形成原因2.1 电极界面反应锂枝晶的形成与电极界面反应密切相关。
在充电过程中，锂金属电池正极材料释放出锂离子，锂离子通过电解质传输到负极。
在这个过程中，锂金属与电解质之间会发生一系列的化学反应，形成锂枝晶。
2.2 电解质中的不稳定性电解质中的成分和性质对锂枝晶形成也有一定的影响。
一些电解质中的物质，如含氧化锂离子的溶解性、固溶界面的亲合力等，都可能导致锂离子在负极处析出形成枝晶。
3. 锂枝晶对金属电池的影响3.1 容量衰减锂枝晶的形成会导致电池容量衰减。
锂枝晶通过穿刺电解质层，缩短了电池的有效工作面积，使得电池容量减小。
3.2 安全性问题锂枝晶的形成还会导致安全性问题。
锂枝晶的尖端可能扎破电解质层，造成电池内部短路，引发热失控、爆炸等危险情况。
4. 防止锂枝晶的方法4.1 表面涂覆保护层一种防止锂枝晶形成的方法是在电极表面涂覆一层保护层。
这层保护层可以阻止电解质渗透到电极内部，从而减少锂离子的析出，降低锂枝晶的形成。
4.2 电解质的优化优化电解质的成分和性质也可以减少锂枝晶的形成。
选择合适的电解质溶剂、添加剂和盐类，可以降低电解质中锂离子的溶解度，抑制锂枝晶的生成。
4.3 电极结构设计良好的电极结构设计也可以减少锂枝晶的形成。
例如，在负极表面增加嵌入式纳米颗粒，可以提供更多的锂离子嵌入位置，减少锂金属的析出，从而降低锂枝晶的形成。
5. 结论锂枝晶是金属电池体系中的一个重要问题，对电池的容量衰减和安全性造成了影响。
为了解决这个问题，需要综合考虑电池材料、电解质和电极结构等方面的因素，并采取相应的方法来减少锂枝晶的形成。
只有通过持续的研究和创新，才能进一步提高金属电池体系的性能和安全性。
稀土信息·12· 2021年第05期一、影响稀土元素在铜中吸收率的因素 影响稀土元素在铜中吸收率的因素主要有：稀土元素的颗粒大小、加入量、浇注温度和保温时间等。
稀土的颗粒对于吸收率有很大的影响，在加入量相近的情况下，随着稀土颗粒的减小，吸收率降低。
主要原因是在加入的过程中，颗粒越小越不易压入铜液中，上浮的几率比较大，氧化烧损率越大；另外，加入量相同时，颗粒小，数量多，表面积大，烧损严重。
研究发现，当Ce 以颗粒质量为5.40g 加入纯铜时，吸收率只有46.47%；在颗粒质量为9.50g 时， 铜是有色金属中最重要的金属之一，与其他金属相比，铜有高的导电性、导热性（仅次于银），有良好的耐蚀性，易于压力加工成线、棒、板、带、管等各种半成品或零件，主要用作导电、导热或耐蚀等要求的器材。
铜及铜合金是工业上的重要材料。
随着科学技术的飞跃发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。
稀土元素具有典型的金属性质，化学性质极为活泼，几乎能与惰性气体以外的所有元素相互作用，同时具有大量吸收气体的能力。
其独特性质，能改善铜及铜合金的物理、机械性能等。
稀土在铜及铜合金中的作用及应用● 姜佳鑫 温永清/文吸收率增加到69.09%。
在颗粒平均质量相近的情况下，加入的纯稀土量越多，其吸收率也越高。
但稀土的加入量不宜太多，以免产生不良的影响。
在加入稀土时，温度越高稀土烧损得越多，应根据铸件的尺寸选择浇注温度。
稀土在铜液中易上浮，且其熔点较低，保温时间越长烧损得越多。
在实际生产时，为了使铸件中稀土均匀分布，必须延长保温时间，以净化合金基体，提高铸件质量。
保温时间要根据铸件的尺寸、加入量及分布情况而定。
二、稀土在铜及铜合金中的物理化学作用 工业用铜一般含有多种杂质，其杂质总量甚至可达0.05%-0.8%，其中有些杂质含量虽不大，但往往严重影响纯铜或铜合金材料的优良性能。
如氧、硫和铜形成的脆性化合物（Cu2O及Cu2S）降低铜的塑性，多了会使铜冷拉时产生毛刺，并降低铜的导电性、耐蚀性和焊接性能。
试验研究特种铸造及有色合金 1999年第4期
锂消除纯铜铸造枝晶组织的研究
四川大学 朱达川 陈家钊 周秀丽 涂铭旌
国营建中化工总公司 张自明 胡兆敏
摘 要 向熔融三号工业纯Cu中加入微量L i,得到表面光滑、内部致密的铜锭。
研究L i对工业纯Cu结晶形态的影响,结果表明:L i能消除合金凝固的枝晶区并使之转变为等轴晶区。
最后从凝固理论及凝固过程热分析出发,初步探讨其成因。
关键词:锂 纯铜 铸造枝晶组织
The Effect of Lithium on Casting Structures of Pure Copper
Zhu Dachuan Chen Jiazhao Zhou Xiuli Tu Mingjing
(Sichuan University)
Zhang Ziming Hu Zhaomin
(State Owned Jianzhong C hemical Company)
ABSTRACT A series of co pper ingo ts w ith sm ooth surface and inner soundness have been go tten for different lithium additions to molten copper.T he effect of lithium on casting structures of pure coppers has been r esearched.T he results show ed that the dendritic cr ystal area of allo y w as elim inated by Li ad-dition and the equiax ed strcture w as substitued for dentritic crystal.On the basis of solidificatio n theory and DTA curve,the reason for structure transformation is explained.
Key Words:Lithium,Pure Copper,C asting Dendritic Structure
Fe,T i,Zn,B,V,W,Al等元素作为Cu合金的变质剂应用得比较广,但对纯Cu进行变质处理的文献很少,国外仅有少量报道[1]。
加入不同量的Li可以粗化和细化纯Cu的晶粒[2]已得到证实,但Li对纯Cu铸造枝晶组织的影响国内外文献均无报道。
试验在纯铜液中加入微量Li,研究Li对纯Cu结晶形态的影响,以改善铸造纯Cu的导电性。
1 试验材料及方法
1.1 材料制备
选用三号工业纯Cu为原料,向铜液中加入含量不同的Li。
熔炼设备为ZG25A型真空感应电炉,感应圈内套有陶瓷坩埚,铸型采用水玻璃自硬砂,整个过程为:装料—抽真空—充氩气—熔化—加Li—浇注,空冷后得到表面光洁、内部致密的尺寸为 72m m×120m m 的铜铸锭,并在其枝晶区切取金相试样。
1.2 试验方法
用美国J-A公司ICAP9000(N+M)型等离子体光谱仪测试铜中Li的质量分数;用日产X-650型扫描电镜观察组织形貌;用美国P-E公司出品的DT A热分析仪分析其升温、降温过程。
2 试验结果
2.1 成分分析结果
由于在冶炼工艺上采取特殊措施,使Li在铜中能获得较为均匀的分布,铸锭各试样的平均Li残留量见表。
表1 各试样中Li的残留量 %
Table1 Residual lithium in sample %
编号08#09#10#11#12#13#14#16#17#
w(Li)00.002 0.0100.0290.0580.3500.8751.1101.295
2.2 SEM扫描形貌
从试样枝晶区金相组织可以看出:未加Li的08号试样存在明显的枝晶组织,而加入Li后的其余各试样组织均未出现枝晶,其金相组织如图1所示。
2.3 DTA热分析结果
08#和16#试样升温和降温的热分析曲线如图2所示。
3 分析与讨论
从Cu-Li相图[3]可知:合金的平衡分配系数k小于
1
朱达川,男,1971年出生,博士生,四川大学金属材料系,四川成都(610065) 收稿日期:1999-01-26国家自然科学基金项目,59571012
08#
12#16#
图1 试样枝晶区金相组织
Fig.1 Th e metallographical s tructure of dendr itic crystal area
1,所以合金在凝固时将排出溶质元素于液相中,而且在非平衡凝固时扩散受到限制,则凝固界面前沿液相中溶质将形成富Li 区域,由于Li 是一种表面活性物质,易吸附在固液界面,产生偏析,而凝固温度随着溶质质量分数增加而降低,所以靠近凝固界面的熔液的凝固温度降低,成分过冷较大,易于内生生长及等轴晶的形成,同时,凝固温度区间较小,不利于枝晶的生长。
从热分析的降温曲线(图2)可见:由于溶质偏析而产生的凝固温度降低和伴随放出潜热而使温度升高,为此凝固界面熔液中的过冷度减小,温度梯度减缓,同时,凝固速度下降。
另外,Cu 的导热系数为386.4W/(m ・K)而Li 的导热系数仅为72.7W /(m ・K ),两者的差异很大。
因此Li 加入到铜中后,对Cu 的导热性影响很大。
尤其是随着凝固界面的推进,由于Li 的偏析,生成熔液的凝固温度降低,当晶粒某部分长得快而突出时,由于突出根部溶质的扩散特别困难,这将会引起突出根部很快就熔断而成为游离晶;或者突出部分的生长受到抑制而滞后,而原来生长较迟的部分就会变得生长较快,甚至会赶上生长较早的部分,这样就会使得晶粒表面始终保持稳定又均匀的形态而向周边熔液生长,不易长成择向分枝的枝晶[4,5]。
Cu,Li 合金在凝固过程中,结晶潜热主要是通过固相而散出,造成合金凝固界面前沿存在较小的温度梯度,
不易形成枝晶。
图28#、16#试样的DT A 曲线图Fig .2T he DTA cu rve of sample 8#,16#
其次,由于Li 有极强的表面活性,会选择性地吸附
在晶核面上,降低晶格界面的长大速度,从而有利于等轴晶的形成。
试验结果也表明:Li 的这种吸附作用有利于形成等轴晶,却不利于树枝晶的形成。
另外,Li 对铜液的粘度和表面张力的影响,改善了铜液的流动性,而且在一定程度上改变了铜液中的温度分布,有利上述增殖的游离晶充分分散,当这些游离晶以等轴晶形态成长时,就会大大缩小柱状晶成长的空间,从而消除枝晶。
4 结 论
Li 加入铜液后,改变了合金的散热状况,增大了成
分过冷,减缓了合金凝固界面的温度梯度,从而不利于枝晶的形成,合金凝固时形成等轴晶。
参 考 文 献
1 Reif W.T he Effect of T race Element on the Refining of Pure Copper
Grain.M etall.1993,47(11):1005～1014
2 Sohn H Y.T he Effect of Trace Element in Copper M etallurgy,91:
NonFe.Lond on :IM M ,1991.205～219
3 虞觉奇编译.二元合金状态图集.上海:上海科学技术出版社,1987.4 安阁英主编.铸件形成理论.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1985.5 肖纪美主编.合金相与相变.北京:冶金工业出版社,1987.
(编辑:刘卫)
2。
