金属凝固
第五章 纯金属的凝固
r*
体积自由能
r
2 16 2Tm A* 4 (r*)2 2 Lm T 2
1 G * A * 3
2 16 3Tm 1 G* A 2 3( Lm T ) 3
说明：
① 形核功△G*与（△T )2成反比，△T↑，△G*↓； ② 形成临界晶核时自由能仍是增高的（△G*＞0），其增 值相当于其表面能的1/3，即L→S体积自由能差值只补 偿形成临界晶核表面所需的能量的2/3，而不足的1/3则 另需他法；
（1）非均匀形核时的能量变化及形核功
设一曲率半径为r的球冠的晶胚依附于型壁W上形成。
接触角为θ （又称浸润角）。
G GVV A
GVV AL L AM ( M L M )
LM L cos M
AL 2r (1 cos )
非均匀形核的形核功：
* G非 2 16 3Tm * f ( ) ＝f ( )G均 3( Lm T ) 2
* G非
2 16 3Tm * f ( ) ＝f ( )G均 3( Lm T ) 2
讨论： ① θ=0°, f（θ）=0,ΔG*非=0，基底和晶核结构相同，直接 长大，称外延生长；杂质本身即为晶核；
undulation
液态的结构特征：原子排列长程无序，动态短程有序。
5.1.2 纯金属结晶的过冷现象
过冷：
(Supercooling或 Undercooling )
液态材料在理论结晶温度以下仍保持液 态的现象。
理论凝固温度Tm与实际开始凝固温度Tn 之差，即ΔT= Tm - Tn 。
过冷度 ΔT:
5.3.1 均匀形核（homogeneous nucleation）
第三章纯金属的凝固
3.3.1 均匀形核
均匀形核（均质形核）是指在均匀单一的母相中形 成新相结晶核心的过程。
1.均匀形核的能量条件
在过冷的液态金属中，晶胚形成的同时，体系自由 能的变化包括转变为固态的那部分体积引起的自由能下 降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加。假设单位体
积自由能的下降为 ΔGv(ΔGv<0) ，比表面能为σ，晶 胚假设为球体，其半径为r ,则晶胚形成时体系自由能
3.2.2 结晶的热力学条件
根据液固金属自由能
G与温度关系曲线如图 3-3可知，GL=Gs 所对 应的温度Tm即理论平衡 结晶温度，当T<Tm时， Gs<GL两者之差值即为结
晶的驱动力。过冷度越 大，结晶的驱动力也越 大，过冷是结晶的热力 学条件。
第三节 形核规律
形核方式有两种：一种是均匀形核，即新 相晶核在母相内自发地形成；另一种是非均匀 形核，即新相晶核在母相与外来夹杂的相界面 处优先形成。工程实际中材料的凝固主要以非 均匀形核方式进行，但均匀形核的基本规律十 分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题的理 论基础，而且也是研究固态相变的基础。
假定固相晶胚α以球冠状形成于 基底B的平面上，如图3-8所示,设 固相晶核表面的曲率半径为r，晶
核与基体面的接触角为θ，球冠底
圆半径为R..
当晶核形成时，体系增加的表面能 为ΔGs ,
ΔGs=AαLσαL+AαwσαW-AαwσLW
式中 AαL,Aαw 分别为晶核α 与液相L 及B之间的界面积 ；σαL , σαW , σLW 分别为各相应界面的表面能，在其 相交点处，表面张力达到平衡。
3.1.2 纯金属的结晶过程
液态金属的结晶过程是一个形核及核长大的过程。 当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕育，就 会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则排列的各 自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生成和长大， 直至液体全部耗尽为止。
第四章纯金属的凝固
（二）临界晶核 设晶胚为半径r的球形，形核时总能量变化为： ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
ΔGV-单位体积自由能，σ-比表面能 ΔG是r的函数。
由 Gf(r) 的函数作图可知，在r=rc时△G取 得极大值。
讨论： 1.当r＜rk则晶胚生长 ，将导致体系 ΔG ，晶胚重新熔化而消失。 2.若r＞rk 晶胚r ，体系的ΔG,结晶 自发进行，此时的晶胚就成为晶核
2.金属熔化时的体积变化：大多数金属熔化时体积变化仅为
3％－5％，熔化前后原子间距变化不大，熔化前后原子间结 合力较为接近。
3.金属熔化熵值变化小:
金属熔化时结构变化小，只是相对“无序度”增加.
液态金属结构与固态相似存在近程有序，近程密堆， 远程无序.
二.材料凝固的过冷现象
过冷现象-实际结晶温度低于理论结 晶温度的现象。
假设：晶核是依附过冷液相现成基底B上形成晶核S；
设晶核为半径为r的球缺体；S1为球冠面积； S2为晶核与基底接触的面积； θ为晶核与基体的润湿角。
晶核形成稳定存在的瞬间（不 熔化、长大），三相交点处， 表面张力应达到平衡：
σLB=σSB+σLScosθ
非均匀形核示意图
σLB、σsB、σLs分别为L/B、S/B、L/S间的表面张力
均为自发过程.
结论：过冷是结晶的必要条件， 而 ΔT≥ΔTc是结晶的充分必要条件。
过冷度对临界晶核与 最大相起伏的影响
（五）临界晶核的形核功
ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
将
k
2 GV
代入上式可得：
3
2
G k4 3 L 2 m T T m G 4 L 2 m T T m 化简得
金属凝固理论原理及应用
金属凝固理论原理及应用金属凝固理论是指研究金属在固态凝固过程中的组织形态和相变行为的科学原理。
金属凝固理论的研究可以帮助我们了解金属的凝固机理以及改变金属的性质和应用。
以下将从原理和应用两个方面进行详细阐述。
一、金属凝固理论的原理：1. 凝固过程中的相变行为：在金属凝固过程中，会发生相变行为，从液相变为固相。
主要包括凝固核形成、晶体长大及晶粒形核和生长等过程。
凝固核形成是指凝固过程中由于界面能降低而导致固相形成的过程。
晶体长大是指固相晶体的体积逐渐增大。
晶粒形核和生长是指液相金属晶粒在凝固过程中通过固相组织的转变形成新的晶粒。
2. 凝固速率的影响因素：凝固速率是凝固过程中晶体生长速度的量度。
影响凝固速率的因素包括金属的熔点、凝固液体的过冷度、核活化能、晶体生长速度以及固相晶粒形核密度等。
通过调节这些因素，可以改变金属凝固的速率和组织形态，从而影响金属的性质和应用。
3. 相图和凝固曲线的研究：金属凝固过程中，可以通过相图和凝固曲线来了解金属凝固过程中的相变行为和组织形态演化。
相图可以显示凝固温度、成分和组织形态之间的关系，而凝固曲线可以用来研究凝固速率和金属的晶体生长速度。
二、金属凝固理论的应用：1. 金属材料制备：金属凝固理论可以帮助我们了解金属材料制备过程中的相变行为和组织演化规律。
在铸造和凝固过程中，通过调节凝固速率和组织形态，可以获得不同性能和应用要求的金属材料。
例如，通过改变凝固速率可以获得细晶粒或均匀晶粒分布的材料，从而提高材料的强度和韧性。
2. 改善金属材料性能：金属凝固理论的研究可以帮助我们改善金属材料的性能。
例如，通过合适的添加剂和凝固工艺，可以改善金属材料的耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定性等性能。
同时，金属凝固理论也可以指导材料加工过程中的热处理和冷处理，从而进一步提高金属材料的性能。
3. 金属合金设计：金属凝固理论是金属合金设计的重要基础。
通过研究金属合金的凝固机制和相图，可以合理地选择合金元素和调整合金成分，以达到特定的性能和应用要求。
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从液态到固态的过程，这一过程是金属加工和制造中至关重要的一环。
了解金属凝固原理对于提高金属制品的质量和性能具有重要意义。
首先，我们需要了解金属凝固的基本原理。
金属凝固是由于金属在液态和固态之间的相变所引起的。
当金属被加热至其熔点以上时，金属开始融化成液态，而当温度降低到熔点以下时，金属则开始凝固成固态。
在这一过程中，金属的分子结构和排列发生了改变，从而产生了不同的性质和特征。
其次，金属凝固的过程受到许多因素的影响。
首先是金属的成分，不同种类的金属具有不同的凝固特性，例如铝、铁、铜等金属的凝固温度和凝固速度都有所不同。
其次是金属的冷却速度，冷却速度快则会形成细小的晶粒，冷却速度慢则会形成大块的晶粒。
此外，金属的形状和结构也会对凝固过程产生影响，例如浇铸、锻造、挤压等不同的加工方式会导致不同的凝固结构。
最后，了解金属凝固的原理对于金属加工和制造具有重要意义。
通过控制金属的凝固过程，可以获得理想的金属结构和性能，从而提高金属制品的质量和性能。
例如，通过控制金属的冷却速度和形状，可以获得细小、均匀的晶粒结构，从而提高金属的强度和硬度。
此外，还可以通过添加合金元素和调整工艺参数，来改善金属的凝固特性，从而获得更优异的金属制品。
总之，金属凝固原理是金属加工和制造中至关重要的一环。
了解金属凝固的基本原理和影响因素，可以帮助我们更好地控制金属的凝固过程，从而提高金属制品的质量和性能。
希望本文能够为大家对金属凝固原理有所了解，同时也能够在实际生产中加以应用。
《金属的凝固特点》课件
连铸工艺
连铸工艺是将液态金属通过连续浇注 的方式，在连铸机内冷却凝固成所需 形状和性能的金属制品的工艺方法。
连铸工艺的应用范围广泛，可生产各 种规格的钢材，如板材、管材、型材 等。
连铸工艺具有高效、节能、环保等优 点，是现代钢铁工业中的重要生产工 艺之一。
定向凝固工艺
定向凝固工艺是一种通过控制热 流方向，使液态金属在特定方向 上凝固，从而获得具有定向组织
结构的金属制品的工艺方法。
定向凝固工艺主要用于制备高性 能的金属材料，如高温合金、单
晶叶片等。
定向凝固工艺具有组织细密、力 学性能优异、耐高温等特点，广 泛应用于航空、航天、能源等领
域。
05
金属的凝固应用
在机械制造中的应用
01
02
03
零件制造
金属凝固后具有良好的强 度和耐久性，因此在机械 制造中广泛应用于制造各 种零件和工具。
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
01 结晶温度
金属开始从液态向固态转变的温度点。
02 影响因素
金属的纯度、冷却速率和金属的种类。
03 规律
纯金属的结晶温度较高，合金的结晶温度较低； 冷却速率越大，结晶温度越高。
金属的凝固结构
金属的固态晶格结构。
影响因素：金属的原子半 径、晶体结构和化学键类 型。
金属凝固
第一章1金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液态金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。
原因：金属熔化时典型的体积变化∆V V m /(多为增大）为3%~5%,金属熔化潜热m H ∆比其汽化潜热b H ∆小得多，为汽化潜热的1/15~1/30。
2粘度：定义：作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dy dv x /的比例系数。
dy dv x ητ= 相关数学表达式：)exp(203T k U T k B B τδη= 0τ为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为s 1310-） 粘度随原子间距δ增大而降低，以3δ成反比。
3运动粘度为动力粘度除以密度，即ρην/=粘度的影响因素：①金属液的粘度η随结合能U 按指数关系增加；②粘度随原子间距δ增大而降低；③η与温度T 的关系受两方面共同制约，但总的趋势随温度T 而下降。
4粘度在材料成型中的意义：①粘度对层流的影响远比对湍流的影响大。
在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。
当2300>e R 时，为湍流，当2300<e R 时，为层流。
雷诺数Re=ηρνDv Dv =（D 为直接，v 为速度，v 为运动粘度）ρνη速层D R f 32e 32== 2.02.00.2092.0e 092.0）速（湍ρνηD R f == 5流动阻力越大，管道中运输相同体积的液体所消耗的能量就越大，或者所所需压力差也就越大，由此可知，在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。
6夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比ηρρ2)(92r g v B m -=（m ρ为液体合金密度，B ρ为夹杂物或气泡密度） 下沉m B ρρ-(即杂—液）。
7.压力差：对一般曲面σ)11(21r r p +=∆（σ表面张力） 对圆柱形（2r =∞）则p ∆=rσ（式中1r r =）对球形（如液滴）（21r r =）则rp σ2=∆（式中21r r r ==） 9附加压力的意义：铸造过程金属液是否侵入砂型毛细管而形成粘砂，与表面张力σ引起的p ∆有关，金属液与砂型不湿润，有利于防止金属侵入砂型毛细管而形成粘砂，但毛细管直径D 及金属液静压头H 越大，越容易产生粘砂。
第四章 金属的凝固
§4-2 熔液的过冷与凝固过程
一、金属凝固的热力学条件 纯金属的凝固，一般是在常压和恒温条件进行。 热力学第二定律告诉我们：在等温等压下，过程自 动进行的方向是体系自由能降低的方向，这个过程 一直进行到自由能具有最低值为止。（最小自由能 原理） 自由能G用下式表示： G = H－TS 其中 G是热函，T是绝对温度，S是熵。 可推导得到 dG = VdP － SdT
HL、 HS 分别为液体和固体的热函， SL、 SS分别为液体和固体的熵。
由于恒压下 △HP = HL － HS= Lm 所以 △Sm =SL－ SS= Lm/ Tm （4-1） 式中 △Sm 位固体熔化时的熵变，简称熔化熵。 这说明，由固体转变成液体时有序程度的变化值，可以 从潜热与熔点的比值来求得。 表4-1 也列出了几种金属的熔化熵。 4、衍射分析的结果 图4-1是液态的金在1100℃时作X射线衍射分析的 结果，可见在衍射强度与sinθ/λ的关系曲线中出现了两 个明显的峰，这与固态的金进行衍射分析所得的衍射线 条位置基本上是符合的。
Tm 温Tn 度
△
时间 图 4-5 纯铁的冷却曲线（部分）
T
三、形核与生长 金属溶液在凝固后一般都已结晶状态存 在，即内部原子呈规则排列，故凝固过程就 是结晶过程。 特殊情况下，如对熔液进行足够快的冷却， 可以避免其结晶而凝固成为非晶态物质，此 时的转变温度称为玻璃化温度Tg。 材料的Tg与熔点Tm间隔越小，越容易呈非晶 态，例如玻璃和许多有机聚合物就很易成为 非晶态固体。而金属的Tg与Tm间隔甚大，故 难于非晶质化。
*
能量起伏：体系中每个微小体积所具有的能量偏 离体系平均能量水平而大小不一的现象。 因此，液体必须在一定的过冷条件下才能凝固， 而液体中客观存在的相起伏和能量起伏是促成均匀 形核的必要因素。
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从液态状态转变为固态状态的过程。
在金属凝固过程中，原子或离子以一定的方式排列组合，形成具有一定结构和性能的固态金属晶体。
而金属凝固原理则是指影响金属凝固过程的各种因素和规律。
了解金属凝固原理对于控制金属凝固过程、改善金属凝固组织和性能具有重要意义。
首先，金属凝固的原理主要包括凝固过程中的晶核形成和晶体生长。
在金属液体冷却过程中，当温度下降到一定程度时，金属液体中会出现微小的固态核，这些核心在金属液体中逐渐增多并长大，最终形成完整的晶体结构。
晶核形成和晶体生长是金属凝固的基本原理，也是金属凝固组织形成的基础。
其次，金属凝固的速度对凝固组织和性能有着重要影响。
一般来说，凝固速度越快，晶体的生长速度就越快，晶粒就越细小，晶界就越多，从而提高了金属的强度和韧性。
而凝固速度越慢，晶体生长速度就越慢，晶粒就越大，晶界就越少，金属的强度和韧性就会降低。
因此，控制金属凝固速度是影响金属凝固组织和性能的重要因素之一。
另外，金属凝固还受到金属成分、凝固条件、晶核形态等多种因素的影响。
金属成分的不同会导致晶体结构和性能的差异，凝固条件的改变也会影响金属凝固组织和性能的形成，而晶核形态的不同也会对晶体生长和晶粒形貌产生影响。
因此，在实际生产中，需要根据不同金属的特性和要求，合理控制金属凝固过程中的各种因素，以获得理想的凝固组织和性能。
总的来说，金属凝固原理是一个复杂而又重要的领域，它涉及到金属物理、金属化学、热力学等多个学科的知识。
只有深入理解金属凝固原理，才能更好地控制金属凝固过程，改善金属凝固组织和性能，提高金属制品的质量和性能。
因此，对于金属凝固原理的研究和应用具有重要的理论和实践意义，也是金属材料领域的一个热点和难点问题。
希望通过对金属凝固原理的深入研究，能够为金属材料的发展和应用提供更多的理论支持和技术保障。
金属凝固的知识
条 件
c 液相曲线斜率大于固相： 由一次导数大小确定。
二曲线相交于一点，即材料的熔点
Tm 。
△GB= GL - GS
12
第
三
第二节 金属结晶的基本条件
章 1 热力学条件Байду номын сангаас
（2）热力学条件
第
△GB=Lm△T/Tm
二 a △T>0, △GB > 0——过冷是结晶
节 的必要条件（之一）。
△GB= GL - GS
结
晶
规
律
5
第
三
第一节 金属结晶的基本规律
章 2 结晶过程（微观现象） （1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）
（2）描述结晶进程的两个参数 第 形核率N ：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。
一 长大速度G ：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上
节 单位时间内迁移的距离。
结
晶
规
律
6
第
1. 冷却曲线上出现温度回升现象 在实际开始结晶温度，大量晶核形成释放的结晶潜热多
第 于金属向外界散失的热量，导致出现温度的回升。
一 2. 在纯金属的冷却曲线上出现
节 “平台”
结
液态金属在结晶过程中释放的 结晶潜热与金属向外界散失的热量
晶 达到平衡。
Tm: 理论结晶温度（熔 点）
Tn: 实际开始结晶温度
熵是表征系统中原子排列有序度的参数，恒为正值。 温度升高，熵值增加。液相的熵值比固相大。
11
第
三
第二节 金属结晶的基本条件
章 1 热力学条件
（1）G-T曲线 第 a 是下降曲线：由G-T函数的一次
导数（负）确定。 二
纯金属的凝固(结晶)
纯金属的凝固（结晶）
2非均匀形核 浸润角对形核影响
G非*
G均* ( 2
3cos
4
cos3
)
纯金属的凝固（结晶）
2非均匀形核 浸润角对形核影响
0o
G非*
G均* ( 2
3cos
4
cos3
)
G非 * 0 晶核在固相质点上直接长大。
180o G非 * G均 * 固相质点不起作用。
越小，G非 * 越小，临界晶核体积越小，N越高。
特点： ①所需过冷度低。 ②在ΔT相同时，形核率高，结晶后晶粒细小。
纯金属的凝固（结晶）
2非均匀形核 1.临界晶核半径与形核功。
ΔG=V•ΔGV +A•σ
假设在平面基底（W）上形成球冠晶核α,晶核 形成时，增加的表面能为：
GS =AL L +AW W AW LW L、W、 LW：分别为晶核与液相、晶核与
纯金属的凝固（结晶） 结晶概念：金属由液态转变为固态的过程。 金属原子由短程有序变为长程有序的过程。 为何研究结晶:
结晶时，希望获得均匀细小的晶粒→ 强度、硬度高，塑性、韧性好。
纯金属的凝固（结晶） 结晶概念：金属由液态转变为固态的过程。 为何研究结晶:
a.金属生产： 熔炼—浇注—结晶—其它加工。
S Lm Tm
在T≠Tm 时
GV =
-Lm
TS
=
-L m
+
T
Lm Tm
=-L m
Tm Tm
T
=
-Lm
T Tm
GV
LmT Tm
纯金属的凝固（结晶）
2金属结晶的热力学条件
GV
LmT Tm
当ΔT=0时，ΔGV=0 即不结晶也不熔化
金属凝固原理
金属凝固原理
金属凝固原理是指金属从液态到固态的过程。
在金属熔化后，通过降低温度或进行其他处理，金属开始逐渐凝固。
凝固过程中，金属内部的原子或分子逐渐重新排列并结晶，形成有序的晶体结构，从而形成固态金属。
金属凝固原理基于凝固行为的研究，涉及到熔化、相变、晶体生长等多个方面。
首先，金属在熔化过程中，吸收热量使得金属内部的原子或分子运动加速，失去了原子之间的排列有序性，形成了液态金属。
当温度进一步降低时，金属开始进入凝固阶段。
在凝固的早期，金属内部出现一些微小的核心，这些核心是由一部分原子或分子聚集形成的。
这些核心吸引周围的原子或分子，从而导致晶体生长。
晶体生长过程中，较小的核心会扩大并联系在一起，形成更大的晶体。
在金属凝固过程中，晶体生长的速度取决于多种因素，包括温度、凝固速率、金属成分等。
高温下，原子或分子的运动速度较快，晶体生长速度较快；而低温下，晶体生长速度较慢。
凝固速率越快，金属内部的原子或分子越来越无序，晶体结构越复杂。
凝固过程中，金属的凝固形式也有多种，常见的有均匀凝固和偏析凝固。
均匀凝固指金属内部晶体结构均匀、成分均匀分布的凝固方式，一般适用于成分均匀的金属。
而偏析凝固则是指金属内部存在组分不均匀的现象，即某些金属元素或杂质在凝
固过程中会向其中心或表面区域富集。
综上所述，金属凝固原理是由金属熔化到固态的过程，涉及到熔化、相变、晶体生长等多个方面。
通过研究金属凝固原理，我们可以更好地理解金属的结构与性能，并可以针对不同的凝固条件来控制金属的制备过程。
纯金属的凝固
多数金属制品的生产都需要经历熔炼和铸造两 个工艺过程。熔炼是为了获得符合要求的液态 金属。铸造是将液态金属注入铸模中使之凝固 成一定形状，尺寸的固态金属件或金属锭。 结晶：液态金属转变为固态金属晶体的过程。 结晶是铸锭，铸件，金属焊接生产的主要过程。 是材料制备的最主要工艺。 广义结晶定义：聚集态，晶态，非晶态—晶体 的过程。
铸锭中产生收缩孔，分为五类：缩管，均匀收 缩，缩穴，分散缩孔，表面疏松(表面最后凝 固，或有气体疏松)
缩管
单向收缩
缩穴
分散疏松 表面疏松
气泡：一是脱溶出气泡，二是化学反应气泡 1，气泡长大速度比界面生长速度快，则长大 上浮. 2，气泡长大速度和界面生长速度相当则呈蜂 窝状气泡 3，气泡长大速度比界面生长速度慢，则成内 部气泡
1 1 P ( ) r1 r2
该压力会导致固溶体吉布斯自由能增加，
2 尔体积。 r1 r2 纯组元固液两相平衡时，两相的吉布斯自由能 差为： H T S 2 kV 0
S
k
1 1 G ' VS P VS ( ) 2k VS r1 r2 1 1 1
一，液态金属的某些模型
1，准晶体模型：接近熔点时，液态金属中部 分原子的排列方式与固体金属相似，有许多晶 态小集团，可以称为晶胚。大小不等，取向各 异，此起彼伏，瞬息万变，瞬时形成，又瞬时 散开，消失－称为近程排列组态。在液体中出 现的这种结构状态称为结构起伏。 2，非晶体模型：液体金属中的原子相当于紊 乱的密堆球，当中，有着被称为“伪晶核”的 高致密区－－晶胚。 晶核：那些几何尺寸大到一定程度可以稳 定长大而不消失的晶胚。 第一个模型已被X射线衍射分析证实。
纯金属凝固知识点总结
纯金属凝固知识点总结1. 凝固的基本原理在纯金属凝固的过程中，金属离子从液态状态转变为晶态状态，这一过程主要包括两个方面的变化：(1) 原子排列的变化。
在液态金属中，金属原子是无序排列的，而在凝固过程中，金属原子开始有序排列，形成不同的晶体结构。
(2) 基本结构的变化。
不同的金属具有不同的晶体结构，如立方晶体、六方晶体等，这种基本结构的变化是凝固过程中的重要特征。
在金属凝固的过程中，除了原子排列的变化和基本结构的变化外，还会同时涉及到晶体的生长、演变和凝固温度等因素的影响。
因此，要深入了解纯金属凝固的过程，需要综合考虑上述多个因素的作用。
2. 凝固过程中的晶体生长晶体生长是在凝固过程中最基本的现象之一。
在金属凝固的过程中，晶体生长是从液态金属中形成晶体的过程，其过程主要包括以下几个方面：(1) 传质与传热。
在晶体生长的过程中，溶质从液相向固相迁移，而热量也是从熔体向冷凝物质迁移的过程。
这种传质与传热是晶体生长的基础。
(2) 晶体核的形成。
在凝固过程中，晶体核的形成是晶体生长的关键。
晶体核的形成是通过原子或离子以一定的方式排列而形成的，这是晶体生长过程中的起始点。
(3) 晶体生长的机制。
晶体的生长可以通过表面扩散、体积扩散、界面扩散等不同方式进行。
这种不同的生长机制将直接影响晶体的形态和晶体结构。
(4) 晶体生长速率的控制因素。
晶体生长速率受到诸多因素的影响，如温度、凝固速率、溶质浓度等因素都将对晶体生长速率产生显著的影响。
综上所述，要理解纯金属凝固过程中的晶体生长过程，首先需要了解晶体核的形成、晶体生长的机制以及晶体生长速率的控制因素。
这将有助于深入理解凝固过程中的晶体生长现象。
3. 影响凝固过程的因素在金属凝固的过程中，有多种因素会对凝固过程产生影响。
主要包括以下几个方面：(1) 温度。
温度是影响金属凝固的最主要因素之一。
凝固温度的高低不仅会直接影响凝固过程的速率，也会对晶体结构的形成产生重要影响。
第五章 纯金属的凝固
非均匀形核的形核功：
* G非 2 16 3Tm * f ( ) ＝f ( )G均 3( Lm T ) 2
* G非
2 16 3Tm * f ( ) ＝f ( )G均 3( Lm T ) 2
讨论： ① θ=0°, f（θ）=0,ΔG*非=0，基底和晶核结构相同，直接 长大，称外延生长；杂质本身即为晶核；
（1）非均匀形核时的能量变化及形核功
设一曲率半径为r的球冠的晶胚依附于型壁W上形成。
接触角为θ （又称浸润角）。
G GVV A
GVV AL L AM ( M L M )
LM L cos M
AL 2r (1 cos )
第五章 纯金属的凝固
物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物 （solidification） 质为晶体，则称该过程为结晶(cystallization) 。 凝固： 铸造：将金属熔炼成符合要求的液体并浇进铸型，冷却凝固、 得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。 ① 最早的成型手段； ② 生产的第一个环节；
Tk Tm Tk 0.15 ~ 0.25 Tm Tm
ΔTk称有效形核过冷度 ΔTk≈0.2Tm(Tm用绝对温度表示) 。 ② 对于高粘滞液体，均匀形核速率很 小，基本不存在有效形核温度。
图5-6 金属的形核率N与过冷度ΔT的关系
实验测得的成核温度
汞 锡 铅 铝 银 金 Tm/K 234.3 505.7 600.7 931.7 1233.7 1336 Tk/K 176.3 400.7 520.7 801.7 1006.7 1106
△Tk/Tm
0.247 0.208 0.133 0.140 0.184 0.172
铜 铁 铂 NaF NaCl
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从熔化状态向固态转变的过程。
金属凝固是金属加工和制造中的关键工艺之一，对于金属材料的性能和结构具有重要影响。
金属凝固有两种基本模式，分别是平衡凝固和非平衡凝固。
平衡凝固是在金属熔体达到热力学平衡条件下进行的凝固过程。
在平衡凝固过程中，金属熔体的凝固速度较慢，使得晶体有足够的时间进行有序排列，形成结晶的晶格结构。
这种凝固方式下得到的晶体结构一般是均匀、致密的。
而非平衡凝固则是在金属熔体未达到热力学平衡条件下进行的凝固过程，通常是由于快速冷却或其他条件的限制。
非平衡凝固下得到的金属结构通常不具备完整的晶格结构，其中可能包含一些缺陷，如晶界、孪生晶和扩散限制。
金属凝固的主要原理包括热力学原理和动力学原理。
热力学原理研究的是金属凝固的平衡过程和热力学参数，如凝固温度、凝固速度等。
相变热是研究金属凝固的重要参数之一，它是单位质量金属从液态到固态过程中释放或吸收的热量。
相变热的大小直接影响到金属凝固过程的温度和能量交换。
动力学原理研究的是金属凝固的凝固速率和晶体生长行为。
凝固速率与温度梯度成正比，与金属的热导率和定向凝固度有关。
晶体生长通常是以晶核为起点，通过界面扩散分子在凝固过程中不断形成新的晶核，最终形成完整的晶体结构。
在金属凝固中，晶体生长过程是一个重要环节。
晶体生长可以分为表面扩散和体内扩散两种方式。
表面扩散是指晶体表面上的原子或离子通过空间的跳跃来进行扩散，而体内扩散则是指晶体内部的原子或离子通过晶面间的空隙进行扩散。
晶体生长的速度与扩散速率和扩散路径有关，因此扩散是影响金属凝固过程的重要因素之一温度梯度和凝固界面形貌也是金属凝固的关键因素。
温度梯度会导致凝固界面的变形和变动，从而影响到晶体生长和凝固速率。
凝固界面的形貌也对凝固过程有重要影响。
对于非平衡凝固，凝固界面通常是不规则的，形成了一些晶界、孪生晶和其他缺陷。
这些缺陷会影响金属的性能和结构。
除了热力学和动力学原理外，还有其他一些因素也会影响金属凝固的过程。
金属凝固原理课件
描述形核过程的快慢，与温度、过 冷度等因素有关。
晶体的长大与生长形态
晶体长大
晶核形成后，周围的原子或分子 继续附着到晶核上，使晶体逐渐
长大的过程。
生长形态
晶体生长过程中形成的外观形态， 如树枝状、柱状、球状等。
生长速率
晶体长大的速度，通常与温度梯 度、溶质浓度等因素有关。
04
金属凝固过程中的组织与性能
02
金属凝固过程中的传热与传质
传热与传质的基本概念
传热
指热量从高温处传递到低温处的 现象，是热量传递的一种方式。
传质
指物质从一处传递到另一处的现 象，是物质传递的一种方式。
金属凝固过程中的传热与传质现象
传热现 象
在金属凝固过程中，热量从液态传递 到固态，使液态金属逐渐冷却并转变 为固态。
传质现 象
03
金属凝固过程中的形核与长大
形核的基本概念
形核
指在液态金属中形成固相 晶核的过程。
形核过程
在液态金属冷却过程中， 原子或分子的排列逐渐变 得有序，最终形成固体晶 格结构。
形核率
单位时间内形成的晶核数量。
形核机制与形核速率
均质形核
在液态金属中自发形成晶核的过 程，需要克服能量障碍。
异质形核
在金属中的杂质或界面上形成晶核 的过程，通常较容易发生。
02
金属凝固是金属材料制备和加工 过程中最重要的物理过程之一， 对金属材料的性能和应用具有重 要影响。
金属凝固的物理过程
01
02
03
冷却过程
金属液体在冷却过程中， 原子逐渐失去液态的无序 性，开始形成固态晶格结 构的过程。
形核过程
在金属液体冷却到熔点以 下时，原子开始聚集形成 晶核的过程，是金属凝固 的起始点。
金属凝固的概念
金属凝固的概念金属凝固是指金属从液态转变为固态的过程。
在凝固过程中，金属的原子或离子通过相互吸引力逐渐排列有序，形成晶体结构。
金属凝固是金属冶金学中的重要过程，对于金属的性能和应用具有重要影响。
金属凝固的基本过程可以分为两个阶段：核化和晶体生长。
核化是指在过冷液体中形成初生晶核的过程，晶体生长则是指这些初生晶核逐渐增长、连接到一起并形成完整的晶体。
这两个过程是金属凝固的关键步骤，也是决定金属凝固结构和性能的重要因素。
核化过程在金属凝固中首先发生。
当金属冷却至过冷液态时，由于存在过饱和现象，晶体的核心形成了一个临界尺寸的“种子”。
这些种子成为晶体生长的基础，进一步生成整个晶体。
初生晶核在液态金属中具有高自由能，因此会通过吸收金属离子或原子来增长尺寸。
一旦形成了初生晶核，晶体生长过程就开始了。
晶体的生长受到两种力的影响：金属内部原子或离子之间的相互吸引力和外部界面力。
内部相互吸引力使得金属原子在晶体内部沿着特定的晶格方向有序排列，形成晶体结构。
外部界面力则是晶体与其周围物质的相互作用力，它们影响晶体生长速率和晶体形态。
晶体生长过程分为两种类型：平面生长和体积生长。
对于平面生长，晶体通过界面和周围液体接触，逐层增长。
这种生长方式通常发生在高温、高过冷度下。
对于体积生长，晶体通过从液态中吸收原子或离子进行增长。
这种生长方式通常发生在低温、低过冷度下。
平面生长和体积生长的比例取决于温度、过冷度和金属的性质。
金属凝固的速率和过程也与一些因素有关。
温度是影响金属凝固速率的重要因素之一。
温度越低，金属原子或离子的热运动越小，凝固速率越快。
过冷度也会影响金属凝固速率。
过冷度越大，晶体生长的驱动力越大，凝固速率越快。
此外，金属的成分和纯度、形态和尺寸等也会对金属凝固过程和结构产生影响。
金属凝固结构的形成受到物理学、热力学和晶体学的影响。
物理学原理解释了金属原子或离子的行为和相互作用力。
热力学原理通过研究凝固时的能量变化和平衡条件，揭示了凝固过程的驱动力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一章液态金属的结构和性质凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。
液态金属凝固学就是研究液态金属转变成固态金属这一过程的理论和技术。
包括定性和定量地研究其内在联系和规律；研究新的凝固技术和工艺以提高金属材料的性能或开发新的金属材料成型工艺。
物质从液态转变成固态的过程就是凝固。
这是从宏观上的定义。
从微观上看，可以定义为物质原子或分子从较为激烈运动的状态转变为规则排列的状态的过程。
液态金属的热物理性质1.体积变化金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加3%～5%。
2．潜热熔化潜热一般只有升华热的3%～7%，即熔化时原子间的结合能仅减小了百分之几。
液态金属的结构特征１）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。
２）特征：“近程有序”、“远程无序”原子间能量不均匀性，存在能量起伏。
原子团是时聚时散，存在结构起伏。
同一种元素在不同原子团中的分布量，存在成分起伏。
金属由液态转变为固态的凝结过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程。
金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。
液态金属的性质1、粘度（二）粘度在材料成形过程中的意义1．对液态金属净化的影响2．对液态合金流动阻力的影响3．对凝固过程中液态合金对流的影响2、表面张力——液体的物性参数（一）表面张力是质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起的。
这就是液珠存在的原因。
当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积增大时，该功的大小则等于系统自由能的增量。
影响液态金属界面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。
金属在凝固过程中强烈搅拌后，即使在较高固相体积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，枝晶被打碎，生成球状微粒结构，具有流变性和触变性，并冠以半固态金属加工技术（Semi-Solid Metal Forming），即SSM。
金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或者控制固—液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀悬浮一定固相组分的固液混合浆料，这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种既非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术。
1. 应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，适用于铸造、挤压、锻压和焊接等多种加工工艺。
2. SSM充形平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩小，铸件尺寸精度高，凝固时间短，提高生产率。
3.半固态合金已释放了部分结晶潜热，减轻了对模具等成形装置的热冲击，大幅度提高其寿命。
4.SSM成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，晶粒小，气孔、偏析等缺陷少，力学性能高，接近或达到变形材料。
5.改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析和与基体金属不润湿性的技术难题，为复合材料的制备和成形提供有利条件。
6.与固态金属模锻相比，SSM流变应力显著降低，SSM模锻成形速度高，可以成形十分复杂的零件。
7.节约能源。
影响流变性的因素1）固相体积分数对表观粘度的影响（2）剪切速率对表观粘度的影响（3）冷却速度对表观粘度的影响（4）合金成分对表观粘度的影响常规铸造方法获得的铸造组织是典型枝晶组织。
用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近球形的显微结构。
结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，晶核以枝晶生长方式生长，但由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切及液体对晶粒剧烈冲刷，枝晶臂被打断，形成更多细小晶粒，其自身结构逐渐向蔷薇形演化，随温度下降，最终演化称为简单的球形结构。
一旦球形的结构生成。
只要在液固区，无论怎样升降合金的温度（不能让合金熔化），也不会变成枝晶。
半固态加工技术中一个关键问题是如何制备优质的半固态合金坯料或浆料，制备工艺直接影响半固态锭坯组织结构的均匀性。
半固态材料的制备方法大致有液态法、控制凝固法和固态法三种。
半固态金属成形工艺主要分为流变成形和触变成形。
将经过搅拌获得的半固态金属浆料保持在其半固态温度条件下直接进行半固态加工，称为流变铸造（Rheocasting）。
将半固态浆料冷却凝固成坯料后，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工，称为触变成形半固态成形的优势：减少凝固缩孔、气孔，零件组织致密；成形温度低，延长模具寿命；尺寸精度高，等等。
高能超声波制备半固态浆料的机理研究声空化及对流作用效果促进形核，增大形核率（两种可能机制）活化熔体中的难熔物，使其成为形核基底；空化泡膨胀，气泡表面温度降低，使其表面金属液过冷形核。
抑制枝晶生长（对流、减小边界层）均化熔体（声流作用）阻止晶粒聚集第二章液态成形中的流动与传热充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。
液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，使各种因素的综合反映。
流动性：金属本身的流动能力，称为“流动性”，是金属铸造性能之一。
影响因素（1）金属的成分。
（2）液体的温度。
（3）杂质的含量和状态及物理特性。
重点：区别流动性和充型能力是两个不同的概念金属的流动性对于排出其中的气体、杂质和补缩、防裂,获得优质铸件有影响。
金属的流动性好，气体和杂质易于上浮，使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸件。
良好的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到金属液的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的弥合，因此，有利于这些缺陷的防止。
液态金属的流动性是用浇注“流动性”试样的方法衡量的。
影响充型能力的因素及提高充型能力的措施影响充型能力的因素大致可以归纳为四类：第一类因素----金属性质方面的因素（1）金属的密度ρ1（成分）；（2）金属的比热容c1；（3）金属的导热系数λ1；（4）金属的结晶潜热L;（5）金属的粘度η; （6）金属的表面张力σ;（7）金属的结晶特点。
第二类因素------铸型性质方面的因素（1）铸型的蓄热系数b2；（2）铸型的密度ρ2 ；（3）铸型的比热容C2；（4）铸型的导热系数λ2；（5）铸型的温度；（6）铸型的涂料层；（7）铸型的发气性和透气性。
第三类因素----浇注条件方面的因素（1）液态金属的浇注温度;（2）液态金属的静压头H;（3）浇注系统中压头损失总合;4）外力场（压力、真空、离心、振动等）。
第四类因素----铸件结构方面的因素（1）铸件的折算厚度RR=V（铸件的体积）/S（铸件的散热表面积）或R=F（铸件的断面积）/P（断面的周长）（2）由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失Σh.合金的流动性与其成分之间存在着一定的规性。
在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物的地方出现最大值，而有结晶温度范围的地方流动性下降，且在最大结晶温度范围附近出现最小值。
为提高液态金属的充型能力，在金属方面可采取以下措施：1．正确选择合金的成分在不影响铸件使用性能的情况下，可根据铸件大小、厚簿和铸型性质等因素，将合金成分调整到实际共晶成分附近，或选用结晶温度范围小的合金。
对某些合金进行变质处理使晶粒细化，也有利于提高其充型能力2．合理的熔炼工艺保持原材料和熔炼设备的洁净多次熔炼的铸铁和废钢，应尽量减少用量“高温出炉，低温浇注”减小铸型中气体反压力的途径：（1）适当降低型砂中的含水量和发气物质的含量，亦即减小砂型的发气性；（2）提高砂型的透气性。
浇注和凝固过程中液体的流动可归纳为以下三种：1．浇注时液体在充填铸型过程中的流动——受迫流动。
2．型腔内液体中的自然对流。
3．由于凝固收缩、液体收缩及重力等引起液体在枝晶间及其分枝间的流动（小范围、微小的流动）。
这种流动对微观缩孔的形成及成分的偏析有影响。
自然对流的速度取决于格拉晓夫数，是温差或溶质浓度差对流的驱动力。
液体在枝晶间的流动驱动力来自三个方面，即：凝固时的收缩，由于液体成分变化引起的密度改变，以及液体和固体冷却时各自收缩所产生的力。
液态金属注入铸型以后，随即发生两个过程：一是液态金属的温度不断下降；二是铸型受热温度上升。
1、铸件在绝热铸型中的凝固砂型、石膏型、陶瓷型材料的导热系数比金属铸件小得多，可称为绝热铸型。
2、金属铸型界面热阻为主的金属型中的凝固金属型铸造完全可以用改变涂料厚度或其热物理性质控制铸件的冷却强度。
基础知识－－铸件温度场的描述不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场稳定温度场：不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）等温面：空间具有相同温度点的组合面。
等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。
温度梯度对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。
温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集根据温度场的变化可以预测：凝固区域的大小及变化；凝固前沿向中心推进的速度；缩孔和缩松的位置；凝固时间等．并能为正确设计浇注系统，设置冒口、冷铁以及采取其它措施控制凝固过程提供可靠的依据．温度场分析的一般方法有：实测法、数值解析法、数值模拟法等。
影响铸件温度场的因素<1> 金属性质的影响1）金属的热扩散率（导温系数）2）结晶潜热（3）金属的凝固温度2铸型性质的影响(1)铸型的蓄热系数b2 2)铸型的预热温度<3>浇注条件的影响<4>铸件结构的影响(1) 铸件的壁厚(2) 铸件的形状铸件的凝固方式凝固动态曲线的意义:凝固区域及其结构固相区、凝固区和液相区1）逐层凝固在恒温下结晶的纯金属、共晶成分的合金，断面上液体和固体由一条界线截然分开，没有“L+S”两相区，随温度下降，固体层不断加厚，逐步达到中心。
这种情况为“逐层凝固方式”。
对于结晶温度范围很窄，或断面温度梯度很大时，逐层断面的凝固区域则很窄，也属于逐层凝固方式（图2-12（b））易补缩、致密性好、性能好。
2）体积凝固若铸件断面温度场较平坦，温度梯度很小（图2-13（a）），或结晶温度区间很宽（图2-1（b）），铸件凝固的某一段时间内，某凝固区域在某时刻贯穿整个铸件断面时，则在凝固区域里既有已结晶的晶体也有未凝固的液体，这种情况为“体积凝固方式”或称“糊状凝固方式”。
不易补缩、缩松、夹杂、开裂（3）中间凝固如果合金的结晶温度范围较窄（图2-14（a）），或者铸件断面的温度梯度较大（图2-14（b）），铸件断面上的凝固区域宽度介于二者之间时，则属于“中间凝固方式”。
影响铸件凝固方式的因素一、合金的结晶温度范围（与化学成分有关）合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固。
二、铸件的温度梯度的影响梯度很大的温度场，可以使宽结晶温度范围的合金按中间凝固方式凝固，甚至按逐层凝固方式凝固。