材料加工工程—铸造精炼作业 (4 学时)

A同学从交大研究生毕业后分配到一所全国知名大学双庆大学当助教, 他所在的材料材料加工工程系师资雄厚, 有全国著名的球墨铸铁专家B教授。A同学在B教授的指导下, 进行铸造铝硅合金和铝铁合金的球化研究。其研究实质上是把球墨铸铁的形核孕育机理应用到球化硅增强铸造铝合金。这是一个天才, 大胆的主意。

问题一, 球墨铸铁是什么? 有何优点? 制造工艺是什么?

答: 球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。球墨铸铁的综合性能接近于钢，又比钢便宜, 所以球墨铸铁已发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。所谓“以铁代钢”，主要指球墨铸铁。

稀土铈能使石墨球化。含铈的孕育剂可使铁液在整个保持期中增加球 数，稀土的形核作用, 可提供更多的晶核，但它与FeSi孕育相比所提供的晶核成分有所不同；稀土可使原来（存在于铁液中的）不活化的晶核得以长 大，结果使铁液中总的晶核数量增多。

制造工艺是:

　　（一）严格控制化学成分，对原铁液要求的碳硅含量比灰铸铁高，降低锰，磷，硫的含量

　　（二）铁液出炉温度比灰铸铁更高，以补偿球化和孕育处理时铁液温度的损失

　　（三）进行球化处理，即往铁液中添加球化剂, 加入孕育剂进行孕育处理

　　（四）球墨铸铁流动性较差，收缩较大，因此需要较高的浇注温度及较大的浇注系统尺寸，合理应用冒口，冷铁，采用顺序凝固原则

　　（五）进行热处理

由于球墨铸铁技术已经很成熟了, B教授近年开始研究高强度铸造铝硅球化合金, 他根据铁碳合金与铝硅合金的相似性，就曾提出加碱金属或其化合物可能使铸铝中的硅形状球化的假说。

B教授在球化理论方面提出“暂时稀土类催化化合物假说”, 就是铝水中稀土原子和硅原子可 能在极短的时间形成化合物。稀土原子容易形成阳离子，而硅原子可以形成阴离子。稀土原子暂时附着在生长中硅表面某处，即稀土和硅形成化合物，但这种化合物是不 稳定的。稀土原子从附着处迅速脱离，因而硅在那里又可生长。在硅表面各处，稀土原子不断附着，不断脱离，便于硅等轴式的生长即球化。

问题二, 什么是”形核”, 有哪些形式? 为什么球形增强相比其他形状强度高?

答: 在母相中形成等于或超过一定临界大小的新相晶核的过程称为“形核”

形核方式有两种： A、均匀形核 B、非均匀形核

因为球形的应力集中最小, 针尖应力最集中

问题三, 请描述”均匀形核” 和“非均匀形核”的模型

答: 晶体结晶的过程是一个形核、孕育长大的过程。而形核分为均匀形核和非均匀形核。均匀形核可以用“结构起伏”来表达, “结构起伏”的尺寸，大小, 快慢与温度有关，温度越低，“结构起伏”尺寸越大，当温度降到熔点以下时，这种晶核开始形成，其中的原子组成了固态的规则排列，而其外层原子却与液态金属中不规则的原子相接触而构成界面。因此，当过冷液体中出现晶核时，一方面由于在这个区域中原子由液态转变为固态，使体系的体积自由能降低；当母相整个体系在化学、能量、温差和结构上都相同时，会发生均匀成核。这种形核是在整个体系内发生的，晶核在形成时所必须克服的势垒能的大小与表面能呈三次方的关系，即：

式中，σ为晶核单位面积表面能；△Gv 是液、固两相单位体积吉布斯自由能之差；△Gk 是临界晶核形成所需的功，简称形核功。

由于实际熔融铝合金液体中或多或少的含有某些夹杂的固体粒子如硅, 铁等，因此实际结晶时常常依附在熔融铝合金液体中的外来固体质点的表面（包括铸锭的模壁）形核。形核率指在单位时间、单位体积，熔融铝合金液体中形成的晶核数目。依附于母相中某种界面上的形核过程称为非均匀形核。形核功为：

式中，θ为晶核与基底面的接触角。


根据理论分析、实践检验，非均匀形核比均匀形核容易。非均匀形核 晶核优先依附在现成固体表面上形成。 由几何学知道： θ：晶核与基底的接触角

不均匀形核时，临界球冠的曲率半径与均匀形核时球形晶核的半径是相等的。

， 表示完全润湿，不需要形核功

，两种形核方式所需的能量起伏同

，不均匀形核较均匀形核所需的形核功小，可在较小的过冷度下发生。

当铸造铝合金中的Fe量超过0.5%后将出现针片状的铁相，这严重的割裂了基体，造成应力集中，使铝合金的机械性能特别是韧性降低。A同学在交大做了很多SIC增强铸铝合金的研究, 在该领域有自己独到的见解。经过计算, A同学向B教授建议, 使用锰粉的铝合金铁相球化剂, 可使针状铁相变 为球状, 可加入均匀球形SIC微米颗粒, 以提高其拉伸机械性能。

B教授悄悄在自己的儿子C工程师办的精英铸铝公司采用了A同学的球化剂，当铝硅合金中含铁为1-1.2％时, 抗拉强度提高了22％，延伸率提高40％。并具有球化速度快。效果稳定，持效性好等特点。这不仅方便生产，而且改善了铝合金的机械性能，显著提高了铸造铝合金的成品率。但B教授没有告诉A同学, 他在精英铸铝公司的实验。

因为B教授的夫人D是双庆大学财务处的会计师, 精英铸铝公司经常从银行贷款, 还款, 帮双庆大学和别的公司转账, 精英铸铝公司本身很多设备, 如热处理炉, 熔炼设备都是从双庆大学借来的。所以B教授的横向科研课题从帐面上看是全校第一, 双庆大学材料加工工程系要申报博士点, 必须要有大量的横向课题支撑。所以, 学校领导对B教授财务和科研都是睁一只眼, 闭一只眼。这些事情, B教授一直都瞒着正直的A同学。

A同学经过研究计算, 发现硅相在铝基体中均匀形核并均匀球化长大热力学条件并不具备, 稀土镧, 钇和锶盐等复合变质剂只是在有的文献中看到, 可重复性差。这时, A同学意识到球化硅增强铸造铝合金的性能达到钢的水平可能是个天方夜谭。

但B教授为了获得国家发明奖, 和部级科技进步奖已经连续发表了多篇论文, 证明球化硅增强铸造铝合金的研究获得成功,并引起了广泛注意。后来, A同学偶然发现, B教授偷换了概念, 当做拉伸实验时, B教授就用高硅含量的样品, 做延展性实验时, 就用低硅含量的样品, 显微镜照片, 也选用SIC球形分布均匀的图片来代替硅分布照片, 这样一来, 让人感觉到B教授的球化硅增强铸造铝合金的性能已达到钢的水平。

伦理问题 这时候, A同学该怎么做? 特别是B教授对A同学有知遇之恩, 将A同学也列入他部级科技进步奖的第7完成人, A同学去学校告发, 会得罪B教授, 还可能受到打击, 保持沉默, 作为教师的良心何在? 同流合污, 迟早有东窗事发的那一天, 请给A同学出个两全其美的主意。

答: “36计走为上” 。如果是为了怕得罪人, 则是懦夫的表现; 如果是为了缓和矛盾, 给别人一个改正的机会, 则是一个好的选择。因为文章数据有假, 奖励此时只是个虚名而已, A同学不应去嫉妒B教授和其他同事发表的文章, 也不应用语言去刺激B教授, 惹他生气。

作为A同学, B教授有知遇之恩,最好先找B教授私下交换一下意见, 象儿子对待父亲一样, 和和气气, 温温和和地,坦率地告诉B教授, 实验方法是做不得假的, 假数据即使发表了, 也可以在杂志上刊登一更正或取消该文章, 人无完人, 哪有不犯错误的人呢? B教授接受A的建议是最好, 如果, B教授听不进去, A同学最好用智慧去对待这件事, 就是把和B教授和交谈记录下来, 以备将来, 可挽救一些人。A同学可以去学校反映情况, 当然A同学必须小心, 以防学校有B教授的死党。因为B教授在学校树大根深, 弟子门生众多。

比如, 学校监察处有D会计师的侄儿, 纪委有C工程师的同学, 而且, 所有的人都知道B教授是个睚毗必报的人。这时候, A同学就不要轻易去告发B, A必须忍耐, 可以用开玩笑的方式把情况透露给一个马大哈同事, 让该同事去把天捅破, 这么做有借刀杀人的嫌疑, 也不厚道, 但却是挽救B的一种方式。有一个详细的工作笔记也是保护自己的好办法。当然工作笔记不应该去计较别人犯的错误,主要是让自己的工作组织有序。

其实最重要的是用爱心去解决问题, 让B教授明白, A同学是爱他的, 问题总是会得到解决的。要有”被人诅咒, 就祝福; 被人逼迫, 就忍耐; 被人诽谤, 就善劝”的态度, 困难是很容易克服的。

(2012年5月7日完成于温哥华家中)

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