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金属材料的性能取决于成分和组织,在金属熔炼完成后其最初的凝固组织对后续的热处理和轧制等工艺,直到最终的组织形态具有显著影响。然而金属熔体在浇铸后常常因为传热条件控制不合理造成组织粗大,而金属本身的凝固收缩特性又往往造成疏松缩孔等缺陷。因此细小、致密的凝固组织一直是铸造工序中追求的目标之一。本文将超重力技术引入到金属熔体凝固过程中,重点考察了超重力对金属凝固组织的细化效果,同时还关注了金属凝固过程中合金元素在超重力场中的宏观偏析行为。首先利用较低熔点的Al-Cu合金和Cu-Sn合金系统深入研究了超重力场对金属凝固组织的细化效果和细化机理;随后对超重力场中溶质元素的宏观偏析行为进行了全面系统研究,并对偏析机理进行了深入挖掘和探讨。之后探索了超重力和晶粒细化剂Ti和Ce对纯Al凝固组织的复合细化效果。最后,初步探索了超重力对高熔点的钢铁材料凝固组织的细化效果和元素偏析行为,为拓宽超重力技术在金属熔体凝固组织控制上的应用提供理论指导。超重力对Al-Cu合金和Cu-Sn合金凝固组织细化研究结果表明,超重力可以有效细化两种合金的凝固组织,随着重力系数的增大,Al-4.5wt%Cu合金和Cu-11wt%Sn合金凝固组织越来越细小,由粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶,一次枝晶和二次枝晶明显变短变细,树枝晶明显球化向球状晶转变。超重力对纯金属(纯Al和纯Cu)的细化效果明显不如对合金(Al-Cu和Cu-Sn合金)的细化效果好,并且溶质含量越高,超重力对两种合金的凝固组织细化效果越好。Al-4.5wt%Cu合金在超重力场G=800中凝固后,试样的抗拉强度明显提高,由常重力场中的136MPa提高到超重力场中的220MPa,而Cu-11wt%合金在超重力场G=600中凝固后,抗拉强度由常重力场中的265MPa提高到超重力场中的521MPa。超重力对Al-Cu合金及Cu-Sn合金凝固组织细化机理研究结果表明,由于Al-Cu合金及Cu-Sn合金凝固过程中析出的固相和剩余液相之间存在密度差,在超重力的作用下会在凝固进行的熔体中产生“结晶雨”,这是导致合金凝固组织细化的主要机理。并且超重力导致的“结晶雨”只发生在合金的凝固初期阶段,即只有在凝固初期进行超重力处理才能细化凝固组织,在凝固后期处理对凝固组织没有任何细化作用。合金溶质含量越高,凝固时的形核率越高,凝固初期析出的固相和液相的密度差也越大,所以超重力导致的“结晶雨”就越大,使得最终凝固组织的细化效果越显著。超重力对Al-Cu合金及Cu-Sn合金溶质元素宏观偏析行为研究结果表明,Al-Cu合金在超重力场中凝固后,Cu元素产生了沿着超重力方向的宏观偏析,Cu-Sn合金在超重力场中凝固后,Sn元素产生了沿着超重力反方向的宏观偏析。重力系数越大和溶质含量越高时,宏观偏析越严重。Al-Cu合金在超重力场中凝固时,Cu元素的宏观偏析是由重力偏析和通道偏析两种偏析机制造成的。在凝固前期,富含溶质Cu的液相密度较大而向试样下部沉降,导致宏观偏析的产生,这种由液相间的密度差导致的重力偏析是凝固前期产生宏观偏析的主要原因。而到了凝固末期,枝晶间残留的富含溶质Cu的液相在超重力的作用下,沿着枝晶间的空隙向试样下部流动,这是凝固末期产生宏观偏析的主要原因。超重力和晶粒细化剂Ti与Ce对纯Al凝固组织的复合细化研究结果表明,超重力和Ti/Ce复合能够有效细化纯A1的凝固组织。经过超重力G=500和0.15wt%Ti或Ce复合细化后,纯Al凝固组织由较粗大的等轴晶或者柱状晶变成非常细小的等轴晶。且随着重力系数和细化剂含量的增加,纯Al凝固组织细化效果越来越好。超重力和细化剂复合细化纯A1后,细化剂会产生沿着超重力方向的宏观偏析现象,越往试样下部细化剂含量越高,试样中的宏观偏析随着重力系数和细化剂含量的增加而越来越严重。超重力对钢铁凝固组织细化和元素宏观偏析行为研究结果表明,超重力可以显著细化Fe-1.5C-1.5Si-1B高速钢、Fe-1wt%C高碳钢和Fe-0.09wt%C低碳钢的凝固组织。在超重力场G=600下,Fe-1.5C-1.5Si-1B高速钢凝固组织由常重力场中粗大的柱状晶转变成细小的等轴晶,一次枝晶及二次枝晶显著细化转变成细小的球状晶;在超重力场G=70下,Fe-1wt%C高碳钢凝固组织由异常发达的树枝晶转变成明显细化的树枝晶;在超重力场G=70下,Fe-0.09wt%C低碳钢奥氏体晶粒显著细化。Fe-1.5C-1.5Si-1B高速钢在超重力场G=600中凝固后,C和B元素轻微向试样上部偏析,而Si元素略向试样下部偏析。在超重力场G=70凝固后,Fe-1wt%C高碳钢中C元素轻微向试样上部偏析。而Fe-0.09wt%C低碳钢中C元素则没有产生明显的宏观偏析现象。