轻合金电磁冶金.pdf

轻 合 金 电 磁 冶 金 崔建忠 巴启先 班春燕 乐启炽 著 东 北 大 学 出 版 社 沈 阳 崔建忠等 2005 图书在版编目 CIP 数据 轻合金电磁冶金 /崔建忠等著 . 沈阳 东北大学出版社, 2005.1 ISBN 7-81102-095-5 Ⅰ. 轻⋯ Ⅱ.①崔 ②巴⋯ ③班⋯ Ⅲ . 电磁流体力学 - 应用 - 轻金属合金 - 冶金 Ⅳ. TF19 中国版本图书馆 CIP 数据核字 2005 第 01465 号 出 版 者 东北大学出版社 地 址沈阳市 和平 区文化 路 3 号 巷 11 号 邮 编110004 电 话02483687331 市场 部 83680267 社务 室 传 真02483680180 市场 部 83680265 社务 室 E-mailneuph http∥www . neupress. com 印 刷 者 沈阳市光华印刷厂 发 行 者 东北大学出版社 幅面尺寸 184mm260mm 印 张 25 字 数 640 千字 出版时间 2005 年 1 月第 1 版 印刷时间 2005 年 1 月第 1 次印刷 责任编辑 刘 莹 x责任校对 文 玉 封面设计 唐敏智 责任出版 秦 力 定 价 36.00 元 前 言 我国钢铁工业突破亿吨产量以后, 迅猛发展 , 2003 年钢铁产量达到 23000 万吨, 成为世界钢铁第一生产大国 . 我国的轻金属 主要是铝和镁 高速发展 . 2004 年我国的原铝实际产量超过 540 万吨, 占世界总产量的 20 左右 . 有人预 测, 2005 年我国的原铝生产能力将达到 600 万吨 . 2004 年, 我国镁产量达到 34 万吨, 占世界镁总产量的 60多, 已经成为名副其实的铝和镁生产大国 . 我国现在已建成了比较完整的铝加工工业体系 . 目前, 我国有铝加工企业 1400 多家 , 涵盖了熔铸、轧制、挤压、锻造、制粉、热处理、表面处理等铝加 工的所有环节 . 总产能超过 500 万吨 , 能生产 18 大类 200 多个合金 2400 多个品 种 14000 个规格的铝加工材 . 2001 年, 我国铝材产量为 230.9 万吨 , 是仅列于 美国、日本之后的第三铝加工材生产大国 . 但是, 我国人均铝消费量仅为 1.51 千克, 仅为世界人均消耗量的一半; 发 达国家常用合金品种达 350 多个, 我国才 200 多个 ; 发达国家铝合金的热处理 状态达 300 多个, 我国才有 70 多个 . 同时我国铝工业还存在结构不合理、污染 严重、能耗高等问题, 尤其是一些高性能铝材, 自己还不能生产,必须进口 ⋯⋯这些表明, 中国还不是铝工业的强国 . 中国目前原镁生产厂家有 120 余家 , 产量从 1994 年的 2.52 万吨迅猛增加到 2004 年的 34 万吨 . 中国镁产量的高速增加 , 使世界镁价格大幅度降低, 为镁的 大规模工业应用奠定了基础 . 但是中国原镁的 90 出口, 自己消费的很少, 镁 加工材更少 . 这表明中国镁工业仍旧以出卖资源、能源为主, 不是一个镁工业 的强国 . 为了彻底改变上述局面 , 国家启动了一系列重大科技计划 . 包括国家重点 基础研究计划 “973”计划、国家高技术发展计划 “863”计划 和国家攻关 计划 . 其中最重要的是“973”计划 , 列出了“提高铝材质量基础研究”等重大 项目 . 我们有幸参加该项目 , 承担“外场作用下的铝合金凝固”课题 . 针对电 磁场作用下铝合金凝固的基本问题, 如液相线、固相线温度的变化; 结晶形核 和长大; 合金元素的微观和宏观偏析; 组织细化 ; 微结构的变化及内应力与裂 纹等问题进行了系统、全面的理论与实验研究 . 在此基础上 , 开发了“铝合金 低频电磁连铸” 、“铝合金低频电磁振荡连铸”和“电磁水平连铸”等新技术, 并且进一步将该技术向高强铝合金中延伸, 承担了“863”课题“超高强高韧铝 合金产业化技术与装备研究” , 向镁合金延伸, 承担了“863”课题“镁合金锻 1 造轮毂产业化技术研究”和国家自然科学基金项目“镁合金凝固的电磁过冷理 论”等课题 . 本专著是这些课题研究成果的总结和汇报, 目的是建立轻合金电 磁冶金的理论框架 , 推动电磁场在轻合金制备和加工中的更广泛应用 . 我们从事轻合金电磁冶金研究已有 10 年。这 10 年间, 一大批年轻有为的 研究生在这块沃土上开拓、耕耘, 他们是 刘志义博士、刘伟博士、张北江博 士、张勤博士、班春燕博士、董杰博士、刘晓涛博士、张新建硕士等和在本实 验室结业的一大批本科生 , 他们为轻合金电磁冶金的发展贡献了力量, 本专著 中凝聚着他们的智慧和心血 . 本书共分 7 章, 其中第 1 章“绪论” 、第 4 章“电磁连铸工艺与理论” 、第 6 章“磁场作用下的再结晶和界面扩散” 、第 7 章“电场热处理”由崔建忠编写, 第 2 章“ 金属材料电磁理论”由巴启先和班春燕编写, 第 3 章“电磁凝固基础 研究”由班春燕编写, 第 5 章“ 镁合金电磁 DC 铸造”由乐启炽编写, 全书由 崔建忠统稿 . 写作过程中, 参考和借鉴了“电磁冶金学”等著作, 得到胡壮麒 院士、梅田高照教授等海内外学者的帮助, 提出许多宝贵意见, 在此表示感谢 . 由于电磁冶金是一个涉及多个学科, 理论研究上没有全面深入的领域, 我 们对该领域的理解还很肤浅, 因此本书中难免有各种错误和不足, 希望大家批 评指正 . 作 者 2004 年 10 月 2 龙牛网 w w w .l o n g n i u .c o m 下载 目 录 1 绪 论1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 金属材料电磁理论5⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2.1 电磁现象的基本规律5⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .1 .1 麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式6⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .1 .2 电磁场的能量和动量9⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .1 .3 静电场和静磁场13⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .1 .4 时变电磁场17⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .1 .5 电磁场中的金属24⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2.2 金属的电学性质28⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .2 .1 金属量子自由电子理论29⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .2 .2 晶体中电子的状态和布洛赫定理38⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .2 .3 近自由电子近似42⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .2 .4 紧束缚近似48⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .2 .5 能带理论的简单应用52⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .2 .6 金属的电阻59⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2.3 金属的磁学性质66⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .3 .1 物质的宏观磁性和磁体热力学66⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .3 .2 原子磁矩70⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .3 .3 带电粒子在磁场中的运动74⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .3 .4 金属的抗磁性与顺磁性83⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .3 .5 铁磁性金属的自发磁化和技术磁化91⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .3 .6 简单的磁路98⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2.4 液态金属的电磁特性101⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .4 .1 流体力学基础102⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .4 .2 磁流体力学方程108⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .4 .3 磁应力和磁压强110⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .4 .4 磁场的扩散和冻结113⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .4 .5 磁流体力学波116⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2.5 电磁效应的动力学理论122⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .5 .1 玻耳兹曼方程122⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .5 .2 金属电导124⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .5 .3 金属热导127⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .5 .4 热电效应129⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 .5 .5 电流磁效应131⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献136⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 3 电磁凝固基础研究137⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3.1 铝及其合金细化方法简介137⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .1 .1 铝合金细化方法分类137⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .1 .2 不同细化方法比较138⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3.2 材料的电磁过程发展现状139⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .2 .1 材料电磁过程技术简介139⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .2 .2 材料电磁过程技术分类140⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3.3 交、直流磁场对金属液、固相线的影响140⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .3 .1 引 言140⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .3 .2 液相线和固相线温度的确定142⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .3 .3 磁场对 Al - Cu 合金相图的影响143⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .3 .4 磁场频率及强度对 7075 合金液相线、固相线温度的影响150⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .3 .5 电磁场对合金结晶温度影响的热力学分析153⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3.4 交、直流磁场对 Al - Cu 合金溶质分配系数的影响156⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3.5 磁场对金属凝固组织的影响158⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .5 .1 研究概况158⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .5 .2 交、直流磁场对铝合金凝固组织的影响161⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .5 .3 脉冲磁场对铝合金凝固组织的影响171⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3.6 电流对金属凝固组织的影响175⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .6 .1 引 言175⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .6 .2 连续电流对铝合金凝固组织的影响178⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .6 .3 脉冲电流对金属凝固组织的影响179⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3.7 电场和磁场共同作用下的金属凝固182⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3.8 电磁场对晶内溶质元素含量的影响182⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .8 .1 提高合金元素固溶度的途径182⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .8 .2 电磁场对合金元素晶内含量的影响183⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3.9 电磁场对宏观偏析的影响190⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .9 .1 研究概况190⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 .9 .2 电磁场对铝合金宏观偏析的影响191⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献196⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 电磁连铸工艺与理论201⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4.1 轻合金电磁连铸的发展历史和现状201⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4.2 电磁半连续铸造宏观物理场理论204⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .2 .1 金属熔体中的交变电磁场204⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .2 .2 电磁场与熔体交互作用207⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .2 .3 电磁场对熔体流动的影响209⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .2 .4 交变电磁场在铝合金半连续铸造过程中的应用211⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4.3 EMC 电磁无模半连铸技术213⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .3 .1 工艺原理214⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 龙牛网 w w w .l o n g n i u .c o m 下载 4 .3 .2 EMC 过程的数值模拟结果215⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .3 .3 EMC 铸造的实践220⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .3 .4 铸造实践223⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4.4 CREM 法224⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .4 .1 CREM 法的工艺原理224⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .4 .2 CREM 法中的流场分析225⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .4 .3 圆锭铸造227⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .4 .4 方坯铸造229⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4.5 低频电磁铸造 LFEMC 法234⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .5 .1 LFEMC 原理234⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .5 .2 低频电磁铸造过程中宏观流场和温度场数值模拟234⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .5 .3 电磁场铸造中铸锭的内应力248⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .5 .4 7075 铝合金的低频电磁连铸255⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .5 .5 7075 合金直径为 200mm 的圆锭铸造257⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .5 .6 超高强铝合金的低频电磁连铸262⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .5 .7 Φ270mm7A60 合金的 LFEC281⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4.6 电磁振荡半连铸294⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .6 .1 电磁振荡原理294⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .6 .2 工频电磁振荡的结果296⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .6 .3 7075 铝合金电磁振荡 LFEC 半连铸296⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .6 .4 低频电磁振荡半连续铸造 Φ270mm7A60 铸锭305⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .6 .5 低频电磁和低频电磁振荡铸锭质量比较314⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4.7 铝合金电磁水平连铸315⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4.8 电磁凝固理论317⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .8 .1 磁致过冷318⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 .8 .2 磁致流动318⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献323⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 镁合金电磁 DC 铸造329⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5.1 镁及其合金的特点与应用329⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5.2 镁合金半连续 DC 铸造329⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5.3 镁合金电磁铸造基本原理330⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5.4 镁合金半连续 DC 铸造数值模拟332⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 .4 .1 建 模332⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 .4 .2 边界条件与初始条件确定333⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 .4 .3 电流与频率对熔体中感应电磁场分布的影响334⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 .4 .4 电磁场对温度场和流场的影响336⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5.5 镁合金电磁半连续 DC 铸造工艺研究339⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 .5 .1 电磁半连续 DC 铸造 AZ91 镁合金锭坯的微观组织339⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 .5 .2 铸造速度对 AZ 系列合金电磁半连续铸造锭坯组织的影响347⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 .5 .3 电磁场对合金元素分布的影响351⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 5 .5 .4 ZK 系列镁合金354⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 .5 .5 其他镁合金356⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 .5 .6 低频电磁半连续铸造对镁合金组织缺陷和表面质量的影响359⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献361⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 磁场作用下的再结晶和界面扩散363⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6.1 磁场作用下的合金再结晶行为363⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6.2 磁场作用下的钢固态相变367⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6.3 磁场作用下的界面扩散371⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 .3 .1 磁场作用下 Al - Mg 扩散偶的界面结构及长大规律371⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 .3 .2 磁场作用下 Al - Zn 扩散偶的界面结构及长大规律372⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 .3 .3 磁场作用下 Al - Cu 扩散偶的界面结构及长大规律374⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献375⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 电场热处理377⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7.1 强电场作用下的塑性变形377⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7.2 强电场作用下的再结晶378⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7.3 强电场作用下的固态相变与合金元素扩散385⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7.4 铝合金的强电场热处理386⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 .4 .1 铝合金的电场均匀化386⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 .4 .2 铝合金电场固溶388⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 .4 .3 电场时效389⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 .4 .4 电场作用下的克肯达尔效应390⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献391⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 龙牛网 w w w .l o n g n i u .c o m 下载 1 绪 论 材料电磁过程 Electromagnetic Processing of Materials, 简 称 EPM 是指 将磁 流体力 学 Magneto Hydrodynamics, 简称 MHD与材料加工技术结合起来, 将电磁场应用于材料制备和 加工过程,从而实现对材料过程的控制及材料组织和性能的改善 .经过多年的发展,目前已形 成多学科交叉、 应用领域广泛、 工艺方法繁多的一门边缘科学 [ 1 ～7 ] . 早在 1823 年, Faraday [ 8 ] 就从海洋流动与地球磁场的关系着手, 测量了流体在电磁场中的 运动情况 .1923 年, Muck 获得了悬浮熔炼方法的专利 .1938 年, Hartmann [ 9 ] 系统研究和分析 了水银在流动槽中运 动时与电 磁场的相 互作用关 系 .1942 年, Alfv n 提 出了磁冻 结概念, Alfv n 波的发现,使人们对导电流体与磁场的相互作用有了本质上的认识和提高, 然而磁流体 力学理论的系统研究和发展却是直到 20 世纪 60 年代后才逐渐开展起来的,最初, 在材料制备 过程中的应用也仅限于半导体金属材料的成型 .近二十年来, 感应加热、 电磁搅拌、 电磁铸造等 过程在有色金属和黑色金属冶炼及制备方面得到广泛的应用与发展 .1982 年在英国举行的 I- UTAM国际力学理论和应用联合会学术会议上第一次提出材料电磁过程这一术语, 到 1990 年和 1994 年,在日本先后召开的第六届 IISS国际钢铁研讨会以及第一届材料电磁工艺国际 会议,预示着材料电磁过程时代的到来 . 目前,材料电磁过程使用的电磁场主要有以下几种 ①由传统线圈或超导线圈所产生的直 流磁场,主要用于制备具有强磁场取向的金属材料和控制液体金属的流动; ②频率从几赫兹到 数十兆赫兹的交变磁场, 通过对磁场频率的选择, 可分别应用于感应加热、 电磁搅拌、 电磁加 压、 电磁输送等工艺过程; ③移动磁场、 脉冲磁场、 变幅磁场等特殊磁场主要用于高效、 节能等 新技术工艺的开发 .上述各种磁场不仅可以单独使用, 还可以几种磁场或磁场和电场共同使用 于某一材料加工过程 . 材料的电磁过程按其应用可分为形状控制、 驱动液体、 抑制流动、 悬浮、 雾化、 热量生成、 探 测、 精炼和凝固组织的控制等功能, 具体阐述如下 . 1 形状控制功能 形状控制功能可分为利用高频交变磁场和利用直流磁场两类 .前者在铝、 铜及其合金的领 域内已实现了电磁铸造、 冷态坩埚、 熔化金属的薄膜以及悬浮熔炼和熔化金属的喷射成形; 后 者主要利用在有直流磁场梯度的地方,可以设法使熔化金属的喷射流扁平化 .由于直流磁场几 乎不伴有发热现象,因此适用于金属的凝固过程 .与使用高频交变磁场的情况不一样, 利用直 流磁场有可能使设备小型化,大大降低成本 . 2 电磁搅拌功能 电磁搅拌是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段,在制取半固态浆料方面, 获得了广 泛应用 .电磁搅拌对金属凝固组织的改变主要表现在改变柱状晶生长方向、 促使柱状晶向等轴 晶转变、 细化宏观组织、 改变初生相形貌和尺寸、 引起共晶组织形貌的变化、 引起枝晶臂间距发 生变化等方面 . 电磁复合铸造也是利用共晶合金在电磁搅拌作用下产生分离共晶的原理, 使之与连续铸 1 造技术相结合,开发出内表面分离共晶层为金属间化合物的铸件 .利用该技术生产的铸件基本 不需要二次加工、 内表面分离层自身生成、 基体相容性良好、 组织均匀, 是优良的功能材料 .目 前,已经开发出分离层为 Al - Ni, Al - Mn, Al - Fe 等金属间化合物的管件 . 3 电磁制动功能 单晶硅的拉制过程中,在熔池中加直流磁场, 设法控制其对流和控制氧气含量的卓克拉尔 斯基磁力法;以及在钢的板坯连铸中, 以降低杂质卷入,防止漏钢为目的, 抑制喷嘴出口弯液面 波动的电磁制动法,均属于此类工艺 . 4 磁悬浮功能 从相互正交的方向将直流电流和直流磁场加到金属上,可以使金属悬浮起来 .磁悬浮列车 以及水平式电磁铸造利用对喷嘴流出的熔融金属,施加相互正交的电流和磁场, 使之在悬浮状 态下冷却凝固,均是该功能的具体体现和应用 . 5 雾化功能 在细小喷射出的熔化金属和喷嘴对面的电极间施加一定的电场, 在与电场正交的方向施 加直流磁场,在通电的一瞬间, 在喷嘴和电极间的熔化金属内就会产生电磁体积力,使熔化金 属雾化,导致电流暂时被切断, 而后流出的金属使电流重新接通,并同样被雾化, 这样可以使这 一过程反复进行下去 .这种方法可以很好地控制金属的粒度及其分布 . 6 升温功能 利用向熔化金属直接通电流和施加中、 高频磁场使金属内产生感生电流, 加热和熔化金 属,主要应用于感应炉 . 7 检测流速的功能 维韦斯根据楞次定律,研制出了流速传感器, 原理是用导线布于小型强磁铁上,当电流接 通时,产生感应电流, 测得感应电流大小即可推算出流体的流速 .用此方法测得的流速精度很 高,不过在居里点以上此方法无效 . 8 复合精炼功能 在 RH 脱气装置中,由于气泡泵作用, 产生了循环运动 .如在真空室内进一步加上瞬态放 电电火花 ,使熔化金属飞散开来, 这就是电磁精炼脱气工艺 .这种工艺能大幅度地简化真空 设备 .此外, 在瞬时放电作用下,由于产生很多点状火点, 也可望用来挥发活泼性物质点状精 炼 . 9 组织细化功能 利用电磁场对金属凝固组织的控制主要表现在电磁细化方面, 电磁细化分为电场细化和 磁场细化两大类 .电场细化是指在凝固过程中施加电场, 使金属或合金材料在电场中凝固的方 法 .此法可以获得有别于常规铸造条件下的凝固组织和性能的铸锭 .磁场细化是指使金属和合 金在磁场中凝固的方法,它利用了合金熔体与磁场的相互作用原理, 使熔体在电磁力的作用 下,产生振动和发生对流, 以促进形核和等轴晶的形成,从而达到细化凝固组织的目的 .可以在 金属凝固过程中,单独施加电场或磁场, 也可以同时施加稳恒磁场和交变磁场, 或者使电流和 磁场叠加等 . 电磁场在轻合金制备与加工工业上应用最早和最广泛的技术是电磁搅拌, 现代轻合金加 工厂采用电磁搅拌来消除合金成分不均,均匀合金液的温度, 减少烧损,取得显著效果 .电磁搅 拌也被用来制备半固态浆料 .虽然, 也有大量工作开发磁场热处理新工艺, 但是研究工作大多 2轻合金电磁冶金 龙牛网 w w w .l o n g n i u .c o m 下载 集中于轻合金的凝固与铸造 .首先应归功于磁场对液态金属的作用显著, 可以对凝固时的流场 和温度场产生显著影响,因此可以控制凝固组织, 获得均质细晶的理想结构 .其次是轻合金的 现代制备技术发展,使人们充分认识到铸态组织的控制是合金制备的关键, 合金中的大部分问 题源于铸造 .铸造组织中的缺陷相当一部分在后续的加工和热处理中无法消除, 或使加工和热 处理无法进行 .因此磁场作用下的合金凝固或电磁铸造是高性能、 低成本轻合金研究领域发展 的重要方向 . 电磁场是高能量密度、 清洁、 非接触和可控的外场 .这种外场施加于合金中, 在宏观上, 将 影响液体的流动,因此将影响传热、 传质和温度场; 在微观上, 将影响原子间的作用力, 影响原 子的运动,影响合金的热力学和动力学过程, 所以电磁冶金领域孕育着一系新的现象和新的规 律,等待人们去开拓 . 由于电磁场的施加可以影响合金结晶过程的热力学和动力学条件, 因此可以影响合金结 晶的液相线和固相线温度;同时影响合金结晶后的元素分布、 合金内溶质含量, 因此影响凝固 组织的微结构如点阵常数、 电阻、 析出相等 ;同时也影响液态原子的扩散, 可能使扩散具有方 向性,也可以加速扩散; 由于磁场下,离子、 电子的运动发生变化,宏观的流场和温度场变化, 因 此,合金结晶形核、 长大的机制和速度可能发生变化;在固态下, 施加磁场,尤其是强磁场, 由于 磁化力可以影响固态相变的热力学条件,因此影响相变的速度, 也可能出现新的相;同时可以 影响溶质的分布和析出相的析出动力学,影响位错的发生、 运动和组态⋯⋯这些微观过程是材 料电磁理论的基础,同时也是发现新现象和新规律的沃土 .显然,这个领域的理论研究不足 .这 个领域的开发需要冶金、 材料、 物理学家的合作进行 . 磁流体力学是目前在电磁冶金领域大量应用的理论,该理论是将电磁学、 热学和流体力学 相结合的新学科,该理论可以定量地分析液态金属在磁场下的宏观行为, 是研究电磁场作用中 数学模拟的基础 . 理论是技术的基础,尽管电磁冶金的基础研究还远不能适应该领域的发展需要, 但是该领 域不断产生的新技术却使工程界为之一振,因为这些技术的发展为工程界带来了高效、 经济的 材料制备方法,推动了材料制备技术的飞跃 . 在铝合金 DC 铸造时,施加中或高频磁场, 可以使铸锭表面光洁如镜面, 大大提高成材率 和冶金质量 .该技术已在发达国家大面积使用, 使用该技术, 全世界每年可以生产几百万吨高 质量的铝锭坯 .该技术近年引进钢铁连铸中, 产生了电磁软接触技术,是目前人们开发的热土 . 铝合金电磁搅拌已经被广泛应用,在钢铁连铸中, 也显示了重要作用, 采用直流磁场的电磁制 动式控制漏钢和防止夹渣卷入的好办法 .采用直流磁场, 可以抑制湍流,实现层流, 是流动控制 的手段 .采用直流强磁场, 还可以制备重元素均匀的偏晶合金 .采用低频磁场, 可以细化晶粒, 抑制偏析,提高合金元素的固溶量, 也可以减低铸锭内应力,避免裂纹 .施加直流静磁场与高频 电流,可以制造电磁超声波, 显著细化铸造组织 .施加直流静磁场和交流磁场, 可以产生电磁振 荡,也可以显著细化组织 .采用脉冲电流或脉冲磁场,可以激发结晶形核, 细化合金组织 .在铸 轧中施加磁场,可以细化组织 .磁场也是铝合金中的杂质和夹杂净化的有效手段 . 在合金的热处理中施加磁场,也可以促进和抑制原子的扩散, 控制组织,如抑制再结晶、 控 制织构、 提高固溶时效的效果等 . 近年来,随着超导技术的高速发展, 超导强磁场装置不断升级,目前已经有 25T 的高强磁 场和 100T 的脉冲磁场, 在强磁场下,材料的物性发生了人们不可想象的变化, 因此, 强磁场材 31 绪 论 料科学异军突起, 成为 EPM 研究的热点 .在强磁场中的一系列探讨使材料科学家们兴奋不 已 .如钢铁材料, 在强磁场作用下,奥氏体/ 铁素体转变相图发生变化; 退火时组织与常规显著 不同;再结晶被抑制, 回火时有新相析出;诱发马氏体转变, 导致相变温度升高, 增加马氏体转 变量,细化晶粒, 促进碳化物弥散分布,从而提高钢韧性、 强度和寿命; 强磁场促进了碳的材料 同素异构转变,可以制备纳米类金刚石; 强磁场加速球墨铸铁中的碳化物分解和碳的扩散; 强 磁场提高金属间化合物的强度和韧性;强磁场可以提高发光材料的光强; 强磁场还可以增加高 温超导材料临界电流密度⋯⋯ 电磁冶金作为一个全新的研究领域, 蕴藏着丰富的新理论和新技术, 该领域的研究和发 展,不但对冶金、 材料和物理学的发展有着巨大的推动作用,而且对化学、 热学和其他学科的发 展也有重大影响 .最重要的是将为材料工业的发展, 高性能性材料的研制开发, 尤其是传统材 料性能的进一步提高、 生产成本的大幅度降低, 提供经济、 高效的技术 . 4轻合金电磁冶金 龙牛网 w w w .l o n g n i u .c o m 下载 2 金 属 材 料 电 磁 理 论 电性和磁性是金属材料的基本属性 . 在电磁场中,各种金属由于结构差异以及内部带电粒子对电磁场响应不同, 呈现出千差万 别的电磁特性 .有的是良导体, 有的电阻很大;有的是强磁性材料, 有的磁性微弱 .金属材料的 电磁效应更是名目繁多,如霍尔Hall效应、 热电效应、 热磁效应、 趋肤效应、 箍缩效应、 磁阻效 应等 .金属与电磁场相互作用在生产技术上的应用不胜枚举, 如感应加热、 电磁搅拌、 电磁屏 蔽、 悬浮冶金、 电磁成形等,这一切预示着金属电磁行为是复杂的, 其物理内涵是深刻的, 应用 前景是广阔的 . 人们经过几个世纪的不懈努力,已经形成内容丰富、 多学科交叉的金属电磁理论 .但是随 着科学研究的深入和生产实践的发展,新的现象不断涌现, 新的概念不断提出, 新的理论不断 建立,这个理论仍在不断发展着、 丰富着 . 本章着重讨论金属电磁理论的一些基本知识,通过这些简单的介绍, 概要阐述金属与电磁 场相互作用的规律,大致讲清金属电性和磁性的物理本质, 希望读者由此 “管中窥豹” , 了解金 属电磁理论之概貌 . 2 .1 电磁现象的基本规律 电磁现象是自然界最基本的现象 .物质间的电磁相互作用是通过场来传递的, 这就是电磁 场 . 描写电场和磁场的基本物理量是电场强度 E 和磁感应强度 B .若确定了电场强度和磁感 应强度的时空函数形式 E E r, t和 B B r, t , 就确定了一个电磁场 .如果 E 和 B 与时 间 t 无关,则分别称为静电场和静磁场 .静电场由电荷激发, 而对电荷有作用力是电场的特征 性质 .根据这个特性, 人们把单位试验正电荷在电场 r 处所受的力定义为点 r 处的电场强度 E r .电荷 Q 在电场 E 中受的力为 f QE . 静磁场由稳恒电流激发,对电流有作用力是磁场的特征性质 .电流元 Id l 在磁场 r 处所受的力 为 d f Idl B . 上式就是磁感应强度 B 的定义式,描述了点 r 处磁场的性质 .如果 E 和 B 随着时间变化, 那 么除电荷电流可以激发电磁场外,变化着的电场和磁场可以相互激发, 形成在空间传递的电磁 波 . 电场强度 E 和磁感应强度 B的函数形式可由这两个矢量所满足的偏微分方程组确定 .该方 程组是麦克斯韦Waxwell在总结电磁场实验规律后提出的,称为麦克斯韦方程组 .