學(xué)術(shù)報(bào)告心得班級(jí)：材料工程1306學(xué)號(hào)：2013153題目：金屬凝固過程與細(xì)晶技術(shù)2015年5月，沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院主辦了主題為“金屬凝固過程與細(xì)晶技術(shù)”學(xué)術(shù)講座，由上海大學(xué)翟啟杰教授主講。翟啟杰教授長期從事材料加工及鋼鐵冶金教學(xué)工作。結(jié)合當(dāng)前鋼鐵行業(yè)的實(shí)際情況，飽含深情地向同學(xué)們分析了當(dāng)前鋼鐵冶金所面臨的挑戰(zhàn)。介紹了凝固過程控制在材料加工技術(shù)中的地位，闡述了凝固過程的研究內(nèi)容和凝固組織細(xì)化的作用，并對(duì)金屬凝固組織細(xì)化技術(shù)中的澆注過程和傳熱條件控制方法、化學(xué)處理方法、機(jī)械處理方法以及外加物理場方法作了簡單評(píng)述；認(rèn)為溫度擾動(dòng)、成分?jǐn)_動(dòng)、外加超聲波、脈沖電流或脈沖磁場不僅能有效地細(xì)化金屬凝固組織，還可以避免其他細(xì)化方法對(duì)環(huán)境和金屬材料本身的污染，有利于材料的循環(huán)利用。翟啟杰教授的報(bào)告受到了全體同學(xué)的熱烈歡迎，通過此報(bào)告，使每位同學(xué)對(duì)金屬凝固過程的基礎(chǔ)理論知識(shí)有了清醒的認(rèn)識(shí)。報(bào)告主要是從鋼鐵冶金面臨的挑戰(zhàn)展開，就目前，金屬凝固組織細(xì)化方法展開了介紹。金屬凝固組織細(xì)化方法主要有四類：（1）澆注過程和傳熱條件控制方法；（2）化學(xué)處理方法；（3）機(jī)械處理方法；（4）外加物理場方法。1、澆注過程和傳熱條件控制方法澆注過程和傳熱條件控制方法包括澆注工藝控制技術(shù)、低溫澆注、提高冷卻速度和增加過冷度等。提高冷卻速度快速凝固可明顯細(xì)化金屬的凝固組織，獲得非常好的細(xì)化效果。圖1是采用快速凝固方法獲得的Mg-Zn-Ce-Ag合金的凝固組織。如圖所示，Mg基合金凝固組織由粗大的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榻驙畹牡容S晶，凝固組織被細(xì)化。但對(duì)于大尺寸鑄件，獲得很大的冷卻速度是非常困難的，因此，提高冷卻速度的方法對(duì)于大體積金屬熔體不適用。而在提高冷卻速度基礎(chǔ)上，通過去除液相中的異質(zhì)晶核（熔體凈化），抑制低過冷度下的形核，使合金液獲得很大過冷度，在大過冷度下產(chǎn)生爆發(fā)式形核，也能細(xì)化金屬凝固組織，該方法即為深過冷凝固技術(shù)。圖2所示為Ni54.8Pd45.2合金在不同過冷狀態(tài)下的凝固組織，在深過冷狀態(tài)

下，合金凝固組織由粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，凝固組織細(xì)化。但深過冷凝固技術(shù)對(duì)控制環(huán)節(jié)要求較高，對(duì)污染非常敏感，因而也限制了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。I』常規(guī)凝同7 I』常規(guī)凝同7 ||\ '■卄J<l(X)pn—圖1是采用快速凝固方法獲得的圖2圖1是采用快速凝固方法獲得的圖2不同過冷狀態(tài)下Ni54.8Pd45.2合金在的凝固組織Mg-Zn-Ce-Ag合金的凝固組織2、化學(xué)處理方法化學(xué)處理的方法是指向金屬熔體中添加少量的化學(xué)物質(zhì)或化學(xué)元素。這種物質(zhì)一般稱為孕育劑或變質(zhì)劑。該方法操作簡便，細(xì)化效果顯著。圖3所示為純鋁中添加Al-0.5%Fe后凝固組織的變化，從圖中可以看出，添加少量Fe元素后，純鋁凝固組織由粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，細(xì)化效果顯著化學(xué)處理方法目前在工業(yè)上應(yīng)用最廣泛，研究也最多，是普通鑄件獲得細(xì)晶組織的常用方法。但向熔體中添加晶粒細(xì)化劑的方法，通常是引入與金屬熔體化學(xué)成分不同的元素，影響金屬熔體純凈度，也不利于金屬的循環(huán)使用；細(xì)化劑選擇不當(dāng)，有時(shí)還會(huì)引發(fā)新的問題。基于熱力學(xué)理論提出了與傳統(tǒng)化學(xué)處理方法類似，但存在本質(zhì)區(qū)別的溫度擾動(dòng)和成分?jǐn)_動(dòng)方法，即向金屬熔體中加入與金屬熔體成分相同的金屬粉末、顆粒、絲帶或與金屬液溶質(zhì)含量不同的微量同類金屬，

從而在金屬熔體中造成特定的“溫度起伏”和“成分起伏”。這些起伏的引入降低了體系生核所需要的能量，促進(jìn)金屬液生核。圖圖3純鋁中添加Al-0.5%Fe后凝固組織的變化3、機(jī)械處理方法機(jī)械處理方法主要包括機(jī)械攪拌和機(jī)械振動(dòng)兩種方法。采用機(jī)械攪拌可造成液相和固相之間產(chǎn)生不同程度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即液態(tài)金屬的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，從而引起枝晶臂的折斷、破碎和增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。圖4所示為機(jī)械攪拌對(duì)A356合金凝固組織的影響，經(jīng)機(jī)械攪拌后，A356合金凝固組織由粗大的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，凝固組織獲得細(xì)化。但該方法存在兩方面不足，一是對(duì)熔體攪拌時(shí)，易卷入氣體，且得不到金屬液的及時(shí)補(bǔ)充，易形成氣孔、縮松等缺陷；二是對(duì)高熔點(diǎn)的金屬液進(jìn)行攪拌時(shí)，攪拌器損耗嚴(yán)重，對(duì)金屬熔體造成污染，產(chǎn)生新的質(zhì)量問題。圖4機(jī)械攪拌對(duì)A356合金凝固組織的影響4、外加物理場方法

隨著對(duì)金屬產(chǎn)品使用性能要求的提高，以及環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，上述傳統(tǒng)的凝固組織細(xì)化方法受到質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，也促使材料研究者在借助于相關(guān)學(xué)科的彼此交叉和相互滲透的基礎(chǔ)上，將各種物理場（主要包括超聲波、電場、磁場等）引入金屬凝固過程以細(xì)化金屬凝固組織。圖5說明了超聲波對(duì)lCrl8Ni9Ti凝固組織的影響。如圖所示，lCrl8Ni9Ti不銹鋼凝固組織中粗大的樹枝晶經(jīng)超聲波處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，凝固組織獲得細(xì)化。但外加超聲波的方法也存在不足，超聲波在金屬熔體中會(huì)存在嚴(yán)重衰減，能量利用率不高，且離超聲探頭較遠(yuǎn)距離的凝固組織細(xì)化效果較差。圖5超聲波對(duì)1Cr18Ni9Ti凝固組織的影響通過這次講座不僅給我?guī)砹俗钚碌膶W(xué)