电、磁场对金属凝固组织的影响及其应用

利用外加物理场凝固细晶技术是目前材料加工领域的研究热点。综述了各种电、磁场对金属凝固组织的影响，对其主要的机理进行了探讨；并对电、磁场在金属凝固成形中的应用和进一步研究进行了展望。     

磁场在材料制备中的应用

总结近几年来国内外有关磁场在材料制备中的应用现状。分别讨论和分析了稳恒磁场、旋转磁场、交变磁场、脉冲磁场和强磁场在金属凝固过程中对金属凝固组织的影响。由于稳恒磁场、旋转磁场、交变磁场、脉冲磁场和强磁场在金属凝固过程中改善凝固组织的机理各不相同,在电磁学、流体力学和金属凝固原理的理论基础上,对磁场影响金属凝固组织的主要机理分别进行了讨论。另外,根据磁场发展技术的局限性对磁场在凝固过程中的应用和进一步研究进行了展望。     

基于磁场作用下的金属凝固研究现状

利用磁场辅助金属凝固,不仅可以细化晶粒、改善凝固组织的力学性能,同时由于磁场和熔融态金属是非直接接触,还可以避免缺陷的引入,进而已成为研究热点。针对磁场作用下的金属熔体形核和晶核生长特点,对金属凝固过程进行深入分析,从磁场对金属凝固的影响原理和仪器设备两个方面进行总结,综述磁场作用下金属凝固的研究进展;分别从铁磁性、顺磁性、抗磁性三种磁性金属在磁场作用下试验研究进行梳理分析。结果表明：磁场引发的洛伦兹力、热电磁力、磁转矩及磁取向等作用通过影响金属熔体的形核和晶核生长,最终改善凝固组织性能;磁场设备利用永磁铁或者电磁铁产生磁场环境;三种磁性金属在磁场环境下凝固后的性能改善体现在力学性能、导电性能、磁性能等方面。最后归纳磁场辅助金属凝固过程中所存在的问题,并展望未来的发展趋势。     

电场和磁场作用下的金属凝固

综合分析了电场及磁场对金属凝固过程的影响,运用电磁学及金属凝固原理,揭示了电场或磁场对凝固过程产生影响的基本途径和主要机制,并对其影响规律进行了理论推测,为进一步的研究工作指明了方向。     

磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述*

利用磁场辅助制备的合金综合性能优异,广泛应用在工业生产、交通运输、航空航天等领域。不同磁场参数环境下合金硬度、耐磨性等服役性能有所差异,作用机理复杂多变。对新工艺驱动下不同磁场对金属凝固过程的作用规律进行总结, 弥补目前磁场辅助金属表面加工方法的研究短板,对金属表面工程发展有重大意义。归纳科研人员在不同磁场环境对金属表面加工的研究探索,分析对比金属材料在不同类型磁场环境下的晶核形核和生长过程差异,总结金属凝固过程在不同磁场下的变化规律,如晶界形貌改善、形核率提高、晶粒细化等。从晶粒微观形貌和合金宏观性能表现两方面出发,分析磁场作用下熔体内部传热传质变化,揭示稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固影响的作用机理,讨论不同参数的磁场对熔体作用效果差异,如磁场对熔池内部流动扰动、熔体内带电粒子受到的洛伦兹力等。综上,晶粒细化、合金性能提高是磁场作用下熔池传热传质变化和磁场作用力的综合体现。综合研究对比稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固的作用特点和作用机理,综述金属凝固领域当前热点问题,有助于统一磁场环境下金属凝固机理的争论,填补磁场环境下金属表面加工工艺的空白,对推进高性能金属表面制备研究有借鉴意义。     

高密度脉冲电流定向凝固纯铝的组织演化

纯铝定向凝固过程加以高密度脉冲电流处理,研究了脉冲峰值电流密度对定向凝固组织的影响。随着脉冲电流密度的增大,定向凝固组织经历了由柱状晶→胞状晶→发达的枝晶→柱状晶3个演化阶段。基于感应磁场与脉冲电流的耦合作用,从电磁流体力学方面分析了高密度脉冲电流对凝固组织形成的作用机制。高密度脉冲电流在金属熔体内感生高频振荡磁场,并感生动态径向电磁压力,影响凝固界面上方金属液流场分布与金属凝固前沿的温度梯度,并对枝晶臂有冲刷作用,从而改变凝固组织形态。     

金属凝固：基于同步辐射原位成像技术的应用研究

全面深入研究金属凝固过程中组织和缺陷的演变规律是优化材料成分与制备工艺，提高材料综合性能的关键。作为一种通用型、高精尖、无损定量研究方法，同步辐射X射线因其具有高通量、高时空分辨率等特点，在金属凝固过程的研究中得到了广泛应用。综述了国内外基于同步辐射成像技术开展金属凝固过程的研究进展，涉及金属凝固原位研究用装置建设与技术开发，以及针对各类金属材料如铝合金、镁合金、高温合金等的凝固研究进展，重点关注凝固过程的组织演变、外加物理场(如电场、磁场、超声场)作用下的金属凝固行为，并阐述了同步辐射原位成像技术在凝固过程数值模型研究中起到的重要作用。最后，对未来的研究方向进行了展望。     

螺旋磁场对金属凝固过程中成分偏析的影响

通过模拟钢连铸金属凝固的条件,以低熔点合金为研究对象,分析了螺旋磁场对凝固组织的影响。发现螺旋磁场能够消除成分偏析、碎断枝晶和细化凝固组织。同时,对比研究了不同磁场方式对凝固组织的影响。在相同电磁搅拌参数下,螺旋磁场比旋转磁场更能减小铸锭上下部成分之间的差异并细化晶粒,对促进铸锭成分均匀化有更好的效果;螺旋磁场电磁力分布更有利于形成较大区域的均匀搅拌,对形成等轴晶有明显的促进作用,且晶粒排列的方向性比旋转磁场处理下的更小,即各向同性效果更好。     

物理场对金属凝固组织的影响

综述了国内外关于电流、磁场和超声波处理对金属凝固过程与凝固组织影响的研究概况 ,根据电磁学、声学及金属凝固原理分析了物理场细化和改善凝固组织的主要机制 ,提出了外加物理场凝固细晶技术在工业中应用尚需研究解决的技术与理论问题 ,特别强调了脉冲物理场处理技术的优越性及应用前景。     

金属凝固细晶技术及发展

介绍了凝固过程控制在材料加工技术中的地位,阐述了凝固过程的研究内容和凝固组织细化的作用,并对金属凝固组织细化技术中的浇注过程和传热条件控制方法、化学处理方法、机械处理方法以及外加物理场方法作了简单评述;认为温度扰动、成分扰动、外加超声波、脉冲电流或脉冲磁场不仅能有效地细化金属凝固组织,还可以避免其他细化方法对环境和金属材料本身的污染,有利于材料的循环利用.     

Solidification of Immiscible Alloys Under the Effect of Electric and Magnetic Fields

Immiscible alloys have aroused considerable interests in the last decades on account of their special physical and mechanical properties and potential applications. A considerable number of researches have been implemented to investigate the solidification behaviors of immiscible alloys in electric and magnetic fields. It has been indicated that the magnetic field and electric current can remarkably affect the solidification process and microstructures of immiscible alloys. The solidification techniques under the effects of electric and magnetic fields have great potentials for the fabrication of immiscible alloys. This paper reviews the research work in this field in recent years.     

利用强磁场控制SiCp/Al复合材料增强颗粒分布状态

通过在不同的强磁场条件下进行低体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料的熔化和凝固试验,研究了利用强磁场控制SiC颗粒在Al基体中分布的可行性,分析了强磁场强度和种类对SiC颗粒与基体间界面的影响效果。研究发现,均恒强磁场能够促进SiC增强颗粒在铝基体中均匀分布,而通过选择磁场参数可以实现利用梯度强磁场控制增强相在基体中的运动行为。对于SiC/Al复合体系,强磁场能够抑制界面反应而有助于界面复合,在Al-Si合金为基体的情况下,复合材料界面结合良好。     

铸件热应力及热裂的数值模拟研究

铸件在铸造凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟在实际的生产实践中起着十分重要的作用。本文综合国内外对铸造凝固过程中热应力及热裂数值模拟研究的现状，结合中北大学铸造工程研究中心的实际情况，指出了今后的研究方向和重点：建立适合铸造过程应力场数值模拟的模型，采用有限元软件ANSYS实现铸件热应力场的模拟分析，并计算残余应力。     

强磁场对不同磁化率非磁性金属凝固组织的影响

根据热力学分析,强磁场对晶体凝固过程均质形核的影响是通过改变熔点、系统Gibbs自由能,从而促进或抑制形核过程来实现的．实验研究表明,相同的磁场条件对不同磁性金属凝固组织的细化作用、取向作用效果是不同的,从磁能、Lorentz力和磁化力效果等热力学和动力学角度探讨了相关规律．强磁场可以改变金属材料的凝固组织,从而进一步改善材料的质量和性能．     

Coupled computation method of physics fields in aluminum reduction cells

1　COUPLEDRELATIONOFPHYSICSFIELDINCELLSTherearesiximportantphysicsfieldsinalu minumreductioncells[13] ,suchaselectricfield ,magneticfield ,temperaturefield ,flowvelocityfield ,concentrationfieldandstressfield .Therelationsa mongthesephysics propertiesareshownasFig .1.　　　　Inregardtorelationofsixfields ,electricfield(electriccurrentandpotentialdistribution)istheen ergyfoundationofoperationandsourceoftheotherphysicsfieldsinreductioncells .Firstly ,electriccur rentcausesthemagne…