材料成型原理-7 凝固金属的组织结构
金属凝固原理
2 研究对象：
研究液态金属或合金转变为固态金属或合金这一凝固过程 的理论和技术，定性地特别是定量地揭示其内在联系和规 律，发现新现象，探求未知参数，开拓新的凝固技术和工 艺。 凝固学是材料成形技术的基础，也是近代新型材料开拓和 制备的基础。
第一节 单向凝固工艺 第二节 单晶生长 第三节 柱状晶的生长 第四节 自生复合材料
第八章 快速凝固
第一节 快速凝固技术及其传热特点 第二节 快速凝固的热力学 第三节 快速凝固的动力学及界面形貌稳定性 第四节 快速凝固晶态合金的显微结构特征与 应用 第五节 快速凝固的非晶态合金
绪论
研究对象
1 凝固：
两个原子的相互作用势能 W(R) 的曲线如图 1-1b 所示。可 用下式计算相互作用力，当 R 增加 dR 时，力 F 就靠势能 W(R)减小作外功FdR。因此得到： 或 当R=R0 时，F(R0)=0，即 对应于能量的极小值，状态稳定。原子之间倾向于保持一 定的间距，这就是在一定条件下，金属中的原子具有一定 排列的原因。当R=R1时，吸引力最大，即
第二章 凝固热力学
第一节 液态金属结构 第二节 二元合金的稳定相平衡 第三节 溶质平衡分配系数 第四节 液－固相界面成分及界面溶质
分配系数
第三章 凝固动力学
第一节 自发形核 第二节 非自发形核 第三节 固－液相界面结构 第四节 晶体生长方式
第四章 单相合金的凝固
第一节 凝固过程的溶质再分配 第二节 金属凝固过程中的“成分过冷” 第三节 界面稳定性与晶体形态 第四节 胞晶组织与树枝晶 第五节 微观偏析 第六节 固－液界面非线性动力学理论
表1-1 一些金属的熔化潜热和汽化潜热的比较
铸造金属凝固原理介绍课件
凝固缺陷
01 缩孔：金属凝固过程中，由 于体积收缩，导致内部出现 孔洞
02 疏松：金属凝固过程中，由 于气体析出，导致内部出现 疏松多孔的结构
03 偏析：金属凝固过程中，由 于成分不均匀，导致内部出 现成分分布不均匀的现象
04 裂纹：金属凝固过程中，由 于应力过大，导致内部出现 裂纹
铸造方法
01
砂型铸造：利用砂型制作铸 件，成本低，生产效率高
03
压力铸造：利用高压将熔融 金属压入模具，生产效率高， 适用于薄壁铸件
05
连续铸造：利用连续铸造机 将熔融金属连续铸造成铸件， 适用于大批量生产
02
熔模铸造：利用蜡模制作铸 件，精度高，适用于复杂铸 件
04
离心铸造：利用离心力将熔 融金属甩入模具，适用于管 状铸件
05
凝固原理在铸造工艺优 化中的实例分析
02
凝固原理对铸造工艺 的影响
04
凝固原理在铸造工艺优 化中的具体应用方法
06
凝固原理在铸造工艺优 化中的发展趋势
质量控制
01
凝固原理在铸造过 程中的应用
02
凝固原理在金属材料 质量控制中的作用
03
凝固原理在铸造缺 陷检测中的应用
04
凝固原理在铸造工 艺优化中的作用
新材料研究
01
纳米材料：具有高强度、高韧性、耐腐蚀等优良性能
02
复合材料：结合多种材料的优点，提高性能和降低成本
03
生物材料：利用生物技术制备新型材料，如生物陶瓷、生物高分子等
04
智能材料：具有感知、响应和自适应功能的材料，如形状记忆合金、压电材料等
绿色铸造技术
绿色铸造技术是指在铸造过程中减少环境污染、降低 能耗、提高材料利用率的技术。
凝固原理-7铸件凝固组织控制
3
2013/12/16
以Al-Cu( CCu = 4.5% )合金为例，该合金凝固时收缩率为0.057
液 体 流动速度等于 零 的 地方，对于凝 固 时收缩的合金来 说将 产生正偏析。
Al-Cu合金相图
因为对于凝固时收缩的合金来说，它和 凝固 时没有体积变化的合金（凝固时体积不 收缩 也不膨胀）相比，固相分率减少，与之 相对 应，也就是说液相分率增加，而液相内 溶质 浓度是高的，因此，该地区的最终溶质 平均 C 浓度 会增加，形成正偏析。
fS * CS = k0C0 1 − 1 + α k0
τf
k0 −1
α = DSτ f / λ 2
枝 晶 偏析在凝固后的均匀化处理
把铸件加热到低于固相线100~200oC，长期保温，使溶质 原子充分扩散， 假设枝晶偏析值近似地为正弦波，根据扩散第二定律可解出 在一定温度下经τ 时间后的偏析幅值A：
S
会增加 ，形成正偏析，
细小断面积为粗大处的1/9，在 断面突然变化的地方，在铸件的 心部，液体金属为了补偿下部铸 件的收缩，其流动速度必须很大， 即接近于大断面处的9倍。
如果在大断面处，其宏观偏析为 “0”，其：
v / R ≈ −0.06
这样，在断面突变处：
v / R = −0.54
显然，这里会产生大的负偏析，
1. 传热条件控制
大量实验证实，降低浇注温度是减少柱状晶 获得细等轴晶的有 效措施之 一，甚至在减少液体流动的情况下也能得到细等轴晶组织。 合理控制冷却条件从而形成宽 的凝固区域和获得大的过冷可促进 熔体生核和晶粒游离。小的温度梯 度和高的冷却速度可以满足上述要 求。但就铸型的冷却能力而言，除 薄壁铸件外，这两者不可兼得。 由于高的冷却速度不仅使温 度梯度变大，而且在凝固初期还 促使稳定凝固壳层的过早形成。 因此对厚壁铸件，一般采用冷却 能力小的铸型以确保等轴晶的形 成，再辅以其它晶粒细化措施以 得到满意的效果。
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。
材料成型原理 金属的凝固
2019/11/26
24
Al-5%Sn合金的结晶温度范围约为430℃，其流动性试样 的宏观组织是等轴晶，离入口处越远，晶粒越细，试样前 端向外突出。由此可以判断，液态金属的温度是沿程下降 的，液流前端冷却最快，首先结晶，当晶体达到一定数量 时，便结成一个连续的网络，发生堵塞，停止流动。
合金的结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析 出少量固相，即在较短的时间，液态金属便停止流动。在 液态金属的前端析出15%～20％的固相量时，流动就停止。
2019/11/26
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3.1.4 液态金属的流动性与充型能力
•基本概念
流动性——液体金属本身的流动能力→充型能力
液态合金的流动性好，其充型能力强；反之其充型能 力差。但这可通过外界条件来提高充型能力。
液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身的流动 能力，同时又与外界条件密切相关，是各种因素的综合反 应。
由前面分析可见，纯金属的液态结构是由原子集团、 游离原子、空穴或裂纹组成的，而实际液态合金还包 含杂质和气泡等结构。原子集团由数量不等的原子组 成，其大小为10-10m数量级，在此范围内仍具有一定的 规律性，称为“近程有序”。
实际金属和合金中，除了能量起伏，还存在浓度起
伏－溶质原子含量（成分）的瞬时不稳定性。 因此，实际液态金属和合金中存在能量起伏、浓度
起伏及结构起伏（或叫相起伏），三个起伏影响液态 合金凝固过程。
2019/11/26
10
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。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。 再结晶？
2019/11/26
材料凝固理论
2、发展概况：
金属凝固理论的发展
凝固技术的发展
计算机的应用
你现在浏览的是第十页，共156页
典型代表就是定向凝固技术、快速 凝固技术和复合材料的获得。此外，还 有半固态金属铸造成形技术等。
你现在浏览的是第十一页，共156页
2、发展概况：
金属凝固理论的发展 凝固技术的发展 计算机的应用
你现在浏览的是第十二页，共156页
凝固过程数值模拟技术；快速样件制 造技术；过程和设备运行的计算机控制。
你现在浏览的是第十三页，共156页
二、凝固过程中材料的物理性质
与晶体结构的变化
体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配
你现在浏览的是第十四页，共156页
大多数材料在经历液－固转变时，其体 积将缩小3－5％，原子的平均间距减小1－ 1.7％，导致缺陷形成的主要原因之一。
你现在浏览的是第四十三页，共156页
二、自发形核
1、经典相变动力学理论
根据经典相变动力学理论，液相原子在凝固 驱动力△Gm作用下，从高自由能GL的液态结构 转变为低自由能GS的固态晶体结构过程中，必须 越过一个能垒△Gd，才能使凝固过程得以实现。
整个液相的凝固过程，就是原子在相变驱动力
△Gm驱使下，不断借助能量起伏以克服能垒 △Gd，并通过形核和长大的方式而实现的转变过 程。
你现在浏览的是第三十五页，共156页
固体表面的液滴及表面张力的示意பைடு நூலகம்
你现在浏览的是第三十六页，共156页
根据力的平衡原理：
SG LS LG cos
cos SG LS LG
,cos 0, 900 ,表现为润湿情况。
金属凝固原理形核优秀课件
得到类似于均质形核的系统自由能变化曲线 （见下图），曲线有一最大值，该值对应的半径
用 r ** 表示，称为异质形核的临界晶核半径。
图3.7 均质和异质形核功图
令rG|rrr0，得2异L质SV形sT核m的临界晶核半径：
虽然实际生产中几乎不存在均质形核，但其原理 仍是液态金属(合金)凝固过程中形核理论的基础。其 他的形核理论也是在它的基础上发展起来的。
§3-3 异质形核（非均质形核 ）
合金液体中存在的大量高熔点微小固相杂质，可作为非均 质形核的基底。晶核依附于夹杂物的界面上形成。这不需要形 成类似于球体的晶核，只需在界面上形成一定体积的球冠便可 成核。非均质形核过冷度ΔT**比均质形核临界过冷度ΔT*小 得多时就大量成核。
金属凝固原理形核
凝固是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术
的核心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同关注 的问题。 严格地说，凝固包括： （1）由液体向晶态固体转变（结晶） （2）由液体向非晶态固体转变（玻璃化转变）
常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者，本 章主要讨论结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学。
1 2
3
3.1
凝固过程包括：形核过程和晶体长大过程。凝固后的宏观组织由晶粒和 晶界组成
§3-1 凝固的基本热力学条件 一、液-固相变驱动力 二、大量形核的过冷度（T*）
一、 液-固相变驱动力
• 从热力学推导系统由液体向固体转变的 相变驱动力ΔG
图3.2 液-固体积自由能的变化
当 T ＞Tm 时，有：ΔGV = Gs － GL＞ 0
计算及实验均表明: ΔT* 0.2Tm
图3.5 均质形核的形
核率与过冷度的关系
三、均质形核理论的局限性
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。
重庆大学 金属凝固原理 第7章 金属凝固的宏观组织与凝固方式
合理的浇注工艺 冷却条件的控制
图7.14
合理的浇注工艺
• 浇注温度
合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得 及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇 注温度将降低液态金属的流动性，导致 浇不足和冷隔等缺陷的产生。
• 浇注方式
通过改变浇注方式强化对流对型壁激 冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等 轴晶的形成。但必须注意不要因此而 引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸 件产生相应的缺陷。
铸型中间顶注
沿型壁单孔顶注
沿型壁六孔顶注
图7.15 不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织
图7.16 低温铸造
图7.17 水流冷却的斜板浇注方法
冷却条件的控制
• 控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷， 从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高的 冷却速度V冷可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而 言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。
图7.20 超声波振动结晶
（3）液相搅拌
连采铸用过机程械采用搅电拌磁、搅电拌磁的主搅要拌作或用气是泡提高搅连拌铸均坯可的造质量成，液例相如相去对除夹固杂相物、
消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的
铸的坯运以动及，浇铸引质起量枝要晶求的较高折时断，、电破磁碎搅拌与技增术殖便，成达为首到选细。化晶粒的目的。
图7.5 晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离
图7.6 游离晶体的生长、局部熔化与增殖
（3）枝晶分枝的熔断脱落 ● 枝晶生长时，其分枝也因成分过冷而形成细的“脖 颈”， 遇高温液体时，产生熔断脱落。
图7.7 枝晶分枝“缩颈”的形成 a）、b）、c）为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图（虚线表示溶质富 集层，V为枝晶生长方向） d）环己烷（Cyclohexane）的枝晶，可明显 看出分枝的缩颈
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。
金属材料凝固原理与技术
金属材料凝固原理与技术金属材料凝固原理与技术，这个话题一听就让人觉得高大上，但其实它跟我们日常生活息息相关。
想象一下，咱们每天用的手机、电脑，甚至厨房里的锅，都是金属制成的，对吧？这些金属是怎么变成我们现在看到的模样的呢？这就得从凝固说起。
凝固，就是液体金属在冷却后变成固体的过程。
就像冰淇淋在阳光下慢慢融化，又在冰箱里重新结成冰那样。
这可不是简单的事儿，里面可是有大学问。
金属在加热时，会变成液态，像汤一样流动。
这时候，金属的分子就开始忙活起来，像舞池里跳舞的人一样，四处乱窜。
温度一降低，分子开始慢慢安静下来，就像在派对上找到了一个角落，最终它们会抱成团，形成一个个坚固的晶体结构。
这个过程就叫“凝固”。
这时候的金属，就不再是流动的液体，而是一个个坚硬的块儿了。
想象一下，像变魔术一样，一瞬间的变化！真是让人感叹大自然的神奇。
然后，说到凝固，咱们不得不提一下“冷却速率”。
这就像烤蛋糕，温度太高，外焦里嫩；温度太低，又没法熟。
金属也是一样，如果冷却得太快，晶体就会小得像沙子，导致金属变脆，没什么韧性。
相反，冷却得慢一点，晶体大了，金属就结实多了。
这就像你选的水果，如果没熟透，吃起来酸酸的，跟那些熟透的水果根本没法比，味道差得远。
所以说，控制冷却速度，才是技术的关键啊。
凝固过程中还有个重要角色，就是“合金”。
合金就是把不同的金属混合在一起，像调配饮料一样。
就拿铝合金来说，它比单纯的铝要强得多，不容易变形，轻得像羽毛。
这就让很多航空航天技术受益匪浅，飞机都能飞得高高的，离我们更近。
咱们常说的“万事开头难”，在金属材料的世界里，合金的配比可是决定成败的关键，调得好，材料就能像超人一样，强大又耐用。
再说说“晶体结构”的重要性。
不同金属有不同的晶体结构，像有的像方块，有的像六角形。
这些形状决定了金属的性能，强度、硬度都跟它们的结构有关系。
就算是同一种金属，经过不同的处理，它的性能也会大相径庭。
像大厨做菜，调味料不一样，出来的味道也截然不同。
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液态金属成型原理0、概论 1、液态金属的结构和性质 2、凝固的热力学基础 3、界面 4、凝固的结晶学基础 5、凝固的传热基础 6、凝固过程的流体流动 7、凝固金属的组织结构 8、凝固过程的缺陷和对策第七章 凝固金属的组织结构第七章 凝固金属的组织结构Î 第一节 凝固金属的组织结构 第二节 偏析（Segregation） 第三节 金属凝固组织形态控制第七章 凝固金属的组织结构2一、凝固铸态组织的含义z 铸态组织，即铸件的晶粒组 织，包括晶粒的形状、尺寸 和取向。
广义讲，还包括合 金元素的分布（偏析）和凝 固过程形成的缺陷。
第七章 凝固金属的组织结构3二、晶粒组织（Grain Structure） 典型铸态组织：表面细晶粒、柱状晶粒、等轴晶粒z激冷晶区的晶粒细小;内部等轴晶区 表层急冷晶区z柱状晶区的晶粒垂直 于型壁排列，且平行 于热流方向.z内部等轴晶区的晶粒 较为粗大;中间柱状晶区第七章 凝固金属的组织结构4几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶第七章 凝固金属的组织结构5三、铸态组织形成原因 1. 表面细晶粒z 型壁激冷，大量生核； z 三维散热，生长迅速，相互抑制； z 生长无方向性。
第七章 凝固金属的组织结构6三、铸态组织形成原因 2. 柱状晶区z 定向散热，平行热流并相反方向生长； z 择优取向，有利的方向生长较快； z 开始于细晶区，结束于等轴区； z 特殊的形成穿晶组织。
第七章 凝固金属的组织结构7三、铸态组织形成原因 3. 等轴晶 熔体内部产生晶核； 三维散热，自由生长； 晶核的来源：内生生核、枝晶熔断、型壁晶 粒游离。
第七章 凝固金属的组织结构8A. 过冷熔体的非自发生核随着凝固层向内推移，固 相散热能力逐渐削弱，内 部温度梯度趋于平缓，且 液相中的溶质原子越来越 富集，从而使界面前方成 分过冷逐渐增大。
第七章 凝固金属的组织结构9B. 枝晶的熔断和增殖 生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖 导致了内部等轴晶晶核的形成。
游离晶体的生长、局部熔化与增殖第七章 凝固金属的组织结构10第七章凝固金属的组织结构11C. 激冷等轴晶的型壁脱落在浇注的过程中及凝固的初期激冷,等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成, 浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。
第七章凝固金属的组织结构12第七章凝固金属的组织结构第一节凝固金属的组织结构Î第二节偏析（Segregation ）第三节金属凝固组织形态控制第七章凝固金属的组织结构13第二节偏析（Segregation ） 微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响力学性能。
宏观偏析是断面尺寸范围内成分不均匀，区域偏析。
危害：影响铸件的机械性能。
微观偏析易引发热裂，并降低铸件的塑性；宏观偏析降低铸件的耐蚀性，暴露在空气中易受侵蚀，表面破裂或开裂，降低使用寿命。
偏析：铸件内部成分不均匀现象;第七章凝固金属的组织结构14A.晶内偏析非平衡凝固具有一定的结晶温度范围 偏析系数（1－K ）合金冷却速度和扩散系数降低强度、塑性和抗蚀性例1：(Al-4.9Cu,铸态,X200)第七章凝固金属的组织结构15B. 晶界偏析两个晶粒对向生长晶界位置与生长方向平行 降低高温性能，诱发热裂例1：(Al-4.9Cu,铸态,X200)第七章凝固金属的组织结构16例：Ni 在Pt 晶界偏析第七章凝固金属的组织结构17C. 微观偏析对策细化晶粒、减小二次枝晶间距；冷却速度的控制；扩散退火，固相线下100-200℃长时间保温; 很难全部消除。
第七章凝固金属的组织结构18二、正偏析符合溶质再分配规律的宏观偏析第七章凝固金属的组织结构19二、正偏析 符合溶质再分配规律的宏观偏析；无法消除第七章凝固金属的组织结构20三、逆偏析不符合溶质再分配规律； 结晶范围宽，糊状凝固，枝晶发达，液体内富含气体，易形成逆偏析。
例1：Al-Cu 合金, 表面富Cu 层；第七章凝固金属的组织结构21例. 灰铸铁床身高P 铁豆第七章凝固金属的组织结构22A. 逆偏析形成机制结晶温度范围宽，糊状凝固 收缩将内部富集溶质通过枝晶间隙挤到表层;气体外逸带出后凝固液体;B. 逆偏析的防止一般加大冷却速度 抑制枝晶生长;第七章凝固金属的组织结构23正、逆偏析的影响因素结晶温度范围：结晶温度范围小→正偏析树枝状晶的尺寸：枝晶粗大→逆偏析冷却条件：冷却缓慢→逆偏析 液体金属受到的压力：气体多、压力大→逆偏析第七章凝固金属的组织结构24四、重力偏析先凝固相轻，或互不混合的液相之间存在密度差时，产生重力偏析例：Al-Ti 合金——合金中细化元素Ti第七章凝固金属的组织结构25重力偏析的防止和消除加大冷却速度;降低合金的浇注温度和浇注速度 加入合金元素, 使枝晶发达, 防止初凝相上浮;加强搅拌，混合均匀；微重力、电磁场下凝固；第七章凝固金属的组织结构26易出现于大型的钢锭，凝后期的通道铸锭中央下部收缩下沉、产生V 型裂缝，溶质充填 防止通道偏析V 型偏析第七章凝固金属的组织结构27大型的钢锭，凝后期的通道比重小的溶质上升，收缩时形成的逆V 型裂缝和裂纹 防止通道偏析A 型偏析第七章凝固金属的组织结构28六、带状偏析与凝固界面平行，间断或连续的偏析条带偏析系数（1－K ）大，溶质扩散慢、晶体生长速度快，易形成带状偏析例：铁素体不锈钢（含硫化锰和细小的条状碳化物）第七章凝固金属的组织结构29带状偏析的防止采取孕育措施细化晶粒加强固液界面的对流和搅拌 减少溶质含量第七章凝固金属的组织结构30第七章凝固金属的组织结构第一节凝固金属的组织结构第二节偏析（Segregation ）Î第三节金属凝固组织形态控制第七章凝固金属的组织结构31第三节金属凝固组织形态控制 主要指相结构和晶粒形态的控制。
¾相结构很大程度上取决于合金成分。
¾晶粒形态和尺寸则由凝固过程决定。
凝固组织控制的关键是晶粒形态，其次是晶粒尺寸。
第七章凝固金属的组织结构32典型凝固组织：柱状晶和等轴晶——各有不同的力学性能。
常温下使用的铸件，均匀细小等轴晶利于力学性能的提高。
在高温下单向受载的铸件，柱状晶使其单向力学性能大幅度提高。
对于普通铸件，柱状晶会导致力学性能和工艺性能的恶化。
第七章凝固金属的组织结构33第三节金属凝固组织形态控制一、等轴晶组织的获得和细化二、等轴晶优化工艺与控制方法三、柱状晶——单(定)向凝固第七章凝固金属的组织结构34一、等轴晶组织的获得和细化加大成分过冷减小G/R加快冷却速度降低浇温 加大铸型导热A. 促进内生生长第七章凝固金属的组织结构35B. 孕育处理、增加晶核孕育处理：加入少量物质，促进液体内部生核1）外加晶核，同类金属颗粒、碎屑高锰钢中加入锰铁、不锈钢中加入铬铁 铸铁中加入石墨粉2）加入细化晶粒合金元素铜–Fe γ质点;铝–Ti 形成TiAl 3 钢–V, Ti 形成TiN , TiC , VN, VC 高熔点质点；第七章凝固金属的组织结构36C. 变质处理(modification) 变质处理：阻碍、抑制和改变晶体的生长方式变质剂：熔点低，K<<1，溶解度很小；强的成分过冷，凝固前沿浓度富集，例：铝硅共晶合金加1.5-3%钠盐（Bi、Sr、Li等）细化硅片;例：铜合金加入Li和Bi，产生很强的成分过冷第七章凝固金属的组织结构37第三节金属凝固组织形态控制一、等轴晶组织的获得和细化二、等轴晶优化工艺与控制方法三、柱状晶——单(定)向凝固第七章凝固金属的组织结构38浇注工艺浇注温度：合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。
但过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。
浇注方式：通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成。
但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷。
二、优化工艺与控制方法第七章凝固金属的组织结构39铸型中间浇注单孔上注沿型壁六孔浇注不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织第七章凝固金属的组织结构40动力学细化方法——铸型运动 在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎形成结晶核心。
引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。
可促使“晶雨”的形成。
立式离心铸造机第七章凝固金属的组织结构41第三节金属凝固组织形态控制一、等轴晶组织的获得和细化二、等轴晶优化工艺与控制方法三、柱状晶——单(定)向凝固第七章凝固金属的组织结构42三、单(定)向凝固(unidirectional solidification ）A. 单向柱状晶生长单向散热，择优生长；减小成分过冷，提高G/R ； 避免液体金属内形成晶核，如净化和过热、减少流动和搅拌；第七章凝固金属的组织结构43铸件移出法单向结晶柱状晶第七章凝固金属的组织结构44B.单向柱状晶组织 单相合金第七章凝固金属的组织结构45C. 单晶铸件第七章凝固金属的组织结构46柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶 等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较第七章凝固金属的组织结构47第七章主要内容典型的铸态组织及成因宏观偏析和微观偏析及其分类、形成原因和防止等轴晶的细化措施 柱状晶生长条件的控制。