材料加工原理课件 第3讲
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第3讲-材料的性能-2011
义力与所产生的流之间的比例常数来表征，如热导率、扩散系数等。
新材料的发展还提出了一些难以用单项性能进行评价的材料特征。如金 属材料的可焊性，材料的可加工性，高温熔盐气氛下的腐蚀性能等。
2、显微结构表征
显微结构表征包括观察组织的形貌、确定其原子排列方式和分析化 学祖分。
分析方法可按照观察形貌的显微镜、测定结构的衍射仪及分析成分 的各种谱仪进行分类。 1）形貌观察 2）结构测定 3）化学组分分析
度，就是焊接性能。例如：
连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。 焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形
程度。
5) 切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种 类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。
切削抗力 加工表面质量 排屑难易程度 切削刀具的使用寿命
1、性能检测
材料的性能是指材料在给定的一套条件下，当某一条件发生变化时，材
料所产生的反应。
对材料的性能测定需要建立一种广义力和广义位移的关系，在关系为线 性时，材料性能有线性常数表征，如弹性模量、热容等。在关系偏离线 性时，材料的性能需要由高阶常数来描述，如光学晶体在强光照射下的
极化率。材料的传输性能与材料内部参数的梯度所产生的流有关，由广
密度
密度是指单位体积物质的质量，单位是kg/m3;
新材料的发展还提出了一些难以用单项性能进行评价的材料特征。如金 属材料的可焊性，材料的可加工性，高温熔盐气氛下的腐蚀性能等。
2、显微结构表征
显微结构表征包括观察组织的形貌、确定其原子排列方式和分析化 学祖分。
分析方法可按照观察形貌的显微镜、测定结构的衍射仪及分析成分 的各种谱仪进行分类。 1）形貌观察 2）结构测定 3）化学组分分析
度，就是焊接性能。例如：
连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。 焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形
程度。
5) 切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种 类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。
切削抗力 加工表面质量 排屑难易程度 切削刀具的使用寿命
1、性能检测
材料的性能是指材料在给定的一套条件下，当某一条件发生变化时，材
料所产生的反应。
对材料的性能测定需要建立一种广义力和广义位移的关系，在关系为线 性时，材料性能有线性常数表征，如弹性模量、热容等。在关系偏离线 性时，材料的性能需要由高阶常数来描述，如光学晶体在强光照射下的
极化率。材料的传输性能与材料内部参数的梯度所产生的流有关，由广
密度
密度是指单位体积物质的质量，单位是kg/m3;
5.3材料与制造工艺-高中通用技术必修《技术与设计1》课件
如图5—35所示:第一步，将预制管 材置入模具之内;第二步，将高压空 气注入预制管材内，使之和模具密 合，以完咸我们想要的形状;最后将 成品脱模。
塑料加工一般包括塑料的配料、咸型、接合、装配、机械加工和表面处理 等，后四个工序是在塑料已成型为成品或半成品后进行的，又称为塑料二 次加工。
塑料的具体加工工艺如下:
2.人造板材人造板材包括胶合板、创花板、纤维板、饰面板等(图5-31)。
人造板材具有可供使用的面积大、不易弯曲开裂、厚薄均匀、表面光洁平整、加工和使用都很 方便、价格便宜、美观实用等优点。因此，人造板材被广泛应用于家具制造、房屋装修、车船 制造等各个行业。在现代的各种木制品中，凡需要用板材的地方，几乎都可以见到人造板材 (图5-32 )。
木材由树木加工而成，是一种被广泛使用的天然材料。木材的 种类繁多，性能差异较大。如木材的密度不同导致其强度不同， 木材的含水率不同导致其加工工序、用途、耐久性不同。木材 主要由木纤维构成，沿着纤维方向和垂直纤维方向的力学性能 是不同的，“横木压百斤，立木顶千斤”说的就是木材沿着纤 维方向的抗压能力强。表5-2列出的是几种常用的木材。
2.金属加工工艺
金属加工工艺主要包括金属的成型加工和金属的表面处理。金属的主要成型方法有铸造、塑性加工、 焊接和切削加工等。
(1）铸造:是指将熔融态金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法，相对其他成型方法有适 应性强和成本低廉的特点。
塑料加工一般包括塑料的配料、咸型、接合、装配、机械加工和表面处理 等，后四个工序是在塑料已成型为成品或半成品后进行的，又称为塑料二 次加工。
塑料的具体加工工艺如下:
2.人造板材人造板材包括胶合板、创花板、纤维板、饰面板等(图5-31)。
人造板材具有可供使用的面积大、不易弯曲开裂、厚薄均匀、表面光洁平整、加工和使用都很 方便、价格便宜、美观实用等优点。因此，人造板材被广泛应用于家具制造、房屋装修、车船 制造等各个行业。在现代的各种木制品中，凡需要用板材的地方，几乎都可以见到人造板材 (图5-32 )。
木材由树木加工而成，是一种被广泛使用的天然材料。木材的 种类繁多，性能差异较大。如木材的密度不同导致其强度不同， 木材的含水率不同导致其加工工序、用途、耐久性不同。木材 主要由木纤维构成，沿着纤维方向和垂直纤维方向的力学性能 是不同的，“横木压百斤，立木顶千斤”说的就是木材沿着纤 维方向的抗压能力强。表5-2列出的是几种常用的木材。
2.金属加工工艺
金属加工工艺主要包括金属的成型加工和金属的表面处理。金属的主要成型方法有铸造、塑性加工、 焊接和切削加工等。
(1）铸造:是指将熔融态金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法，相对其他成型方法有适 应性强和成本低廉的特点。
【材料课件】金属塑性加工原理.ppt
§1.1 应力与点的应力状态
§1.1.1 应力 外力(Load)与内力(Internal force)
外力P：指施加在变形体上的外部载荷。可以分成表面力 和体积力两大类。表面力即作用于工件表面的力 ，它有集 中载荷和分布载荷之分，一般由加工设备和模具提供。体积 力则是作用于工件每一质点上的力， 如重力、磁力、惯性 力等等。
与加载路径的关系 对组织和性能的影响
变形机理
弹性变形
可逆 线性 无关 无影响 原子间距的变化
塑性变形
不可逆 非线性
有关 影响大 位错运动为主
弹塑性共存
整体变形中包含弹性变形和塑性变形； 塑性变形的发生必先经历弹性变形。
金属塑性加工原理
Principle of Plastic Deformation in Metal Processing
3.材料加工需考虑的基本原则
使用性能：高强、高韧、耐蚀等 工艺性能：轧、挤、拉、锻、焊等 环保性能：放射性、毒气、“三废”等 经 济 性：成本、性价比等
4.金属材料加工所涉及的内容
(1) 液态金属的熔炼与铸造； (2) 金属塑性加工与热处理； (3) 复合材料与层状复合材料加工； (4) 材料连接； (5) 材料切削加工； (6) 粉末冶金； (7) CVD(chemical vapour deposition),
➢ 应力的坐标变换（例题讲解）* 实际应用：晶体取向、织构分析等
材料加工原理课件
研究方法： 数学－－力学模型法
化 简
真实加工过程
简单过程
建立数学模型
求解参数及分布 制品性能预测
修正
描述真实生产过程
加工原理的研究方法总结： 建立场的概念，利用数学、化学、力学、化
工原理的基本概念和理论，建立数学模型，研究 外力作用与材料形变之间的定量关系，解释材料 凝聚态结构的形成原理。从而可将工艺的“宏观 ”考虑方式与原理的“微观”具体分析相结合， 推动高分子成型技术研究的深入与创新。
单螺杆挤出机
双螺杆挤出机
螺杆往复式注射机
螺杆式注射机
立式注射机
吹膜设备
六维纤维缠绕机
二十世纪末期
80年代 以后，直接合成新的聚合物的速度趋于 缓和，通过共聚（无规、嵌段、接枝、互穿网络等 ）、共混（共混合金、填充、增强、反应共混等） 方法进行改性以生产高性能材料是研发的主体。
二十世纪末期 新的加工理论、技术和设备问世 反应挤出 提出反应加工理论 反应注射 反应混炼 原位复合增强理论、纳米尺度材料的原位生成技术 、纳米材料的分散和界面粘合理论。
许多科学工作者为这个领域作出了卓越的贡献。
2、高分子加工工程的发展 (1) 加工与材 料相伴而生
二十世纪之前（天然材料－加工技术－应用研究初期） 1516年 西班牙探险家发现南美州人用NR制造 球类、防雨制品、管材等 Hancock 发明了塑炼机 Goodyear 发明了硫化，硫化NR材料投 入市场。模压成型机问世 古塔波胶和虫胶的发现，柱塞式挤出机 开始应用
材料科学基础ppt课件
• 包括： 构成材料的原子的电子结构 (决定化学键的类型)
•
分子的化学结构及聚集态结构 (决定材料的基本类型及
材料组成相的结构)
•
材料的显微组织结构 (组成材料的各相的形态、大小、
数量和分布等)
宏观组织结构
• 材料结构从宏观到微观可分为： 显微组织结构
微观结构
3
3-4 高分子材料的组成和结构
Composition and Structure of Polymeric Materials
•SBS：在120℃可熔融，可用注塑成形，冷到室温时，由于 PS的玻璃化转变温度高于室温，分子两端的PS变硬，而分 子链中间部分PB的玻璃化转变温度低于室温，仍具有弹性， 显示高交联橡胶的特性。 SBS不是用化学键交联，而是通过 玻璃态PS “交联”的，这是物理交联。
30
接 枝 共 聚 ( graft)
第三章 材料的组成和结构
Compositions and Structures of Materials
材料的结构和组成是决定材料性能的基础。 是合理地设计、制造和选用材料的基础。 本章是物质结构理论的应用。
1
主要内容
3-1 材料组成和结构的基本内容 3-2 金属材料的结构和组成 3-3 无机非金属材料的结构和组成 3-4 高分子材料的结构和组成 3-5 复合材料的结构和组成
现代材料加工过程的计算机模拟-第3讲不同尺度的组织模拟方法简介
薛定谔方程
在原子尺度上关于微结构的顶测，需要求解和处理大 约10 23个原子核的薛定锷方程以及它们的电子壳层。 这时，微分方程含有用于描述所有粒子之间可能相互 作用的哈密顿量(Hamiltonian)。对于一个质量为m， 坐标为r且在势场U(r)中运动的粒子,若令其波函数为 ΨΨ则其含时薛定谔方程可表示成如下形式：
材料加工中的商业有限元软件
• 焊接及热处理 – SYSWELD
• 铸造 – PROCAST, SIMULOR
• 锻压 – DEFORM, AUTOFORGE, SUPERFORGE
• 通用 – MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS, FEM Lab
在纳米、亚纳米尺度的计算材料学模型: 一、第一原理方法及其在材料科学中的应用 二、密度泛函方法及其应用 三、分子力学、分子动力学方法
与MC方法一样，大多数的研究中只 考虑了与宏观传热的结合，未能有效地 耦合宏观的质量方程。
介观、微观尺度的计算材料学模型
• 模拟方法 – Monte Carlo (MC)：从统计的角度出发，采 用随机抽样的方法来解释物理模型 – Cellular Automaton (CA)：将研究整体离散 成有限个胞，将时间离散成时间步，每个胞 的状态随着时间步的变化按一定规则变化， 在变化中只受相邻胞的影响实现局部的相互 作用 – 相场法：通过相场方程，可以考虑界面的起 伏与形核等因素对组织的影响
材料加工工艺
材料加工工艺
课程编号：40120244
课程名称：材料加工工艺
英文名称：Materials Processing Technology 主讲教师：黄天佑、都东、梁吉、方刚
学分：4（课内学时：4/周）
开课学期：6
课程类别：必修
课程性质：专业基础课
先修课程：材料加工原理
教材：黄天佑等编《材料加工工艺》
一、课程简介
二、基本要求
三、课程内容
第1章绪论
第2章金属液态成形
2.1 概论
2.2 砂型铸造
2.2.1 紧实度
2.2.2 压实
2.2.3 震实
2.2.4 射砂紧实
2.2.5 气冲紧实
2.3 制芯工艺
2.3.1 概述
2.3.2 油砂制芯
2.3.3 热芯盒制芯
2.3.4 覆膜砂制芯工艺
2.3.5 树脂自硬砂
2.3.6 气硬冷芯盒法制芯
2.4 水玻璃型(芯)砂
2.5 涂料
2.6 铸造工艺设计
2.6.1 零件结构工艺性
2.6.2 造型及制芯方法的选择
2.6.3 浇注位置的确定
2.6.4 分型面的选择
2.6.5 砂芯设计
2.6.6 铸造工艺设计参数
2.6.7 浇注系统设计
2.6.8 铸件的收缩和缩孔、缩松缺陷
2.6.9 冒口与冷铁
2.7 其它铸造方法
2.7.1 金属型铸造
2.7.2 熔模铸造工艺
2.7.3 消失模铸造工艺
2.7.4 陶瓷型成型工艺
2.7.5 离心铸造
2.7.6 压力铸造(简称压铸)
2.7.7 低压铸造
2.7.8 挤压铸造
2.7.9 真空铸造
第3章金属塑性加工
3.1概述
3.1.1 锻压工艺的特点及应用
3.1.2 锻压工艺的分类
3.2塑性成形的机理及力学分析
3.2.1 滑移和孪晶
3.2.2 塑变区分析
材料加工原理课件 第1-1讲
•
研讨题
1. 越王勾践剑怎么制造？ 2. 大马士革剑怎么制造？
把材料制造成产品的主要方法及分类
第一类：热加工、成形（型）加工
–铸造（液态成形加工） –锻压（固态变形加工） –焊接（连接加工） –表面加工（局部成形与改性） –材料热处理（主要是改性）
第二类：冷加工、机械加工、切削加工
–车、铣、镗、刨、磨、钻、切、剪、锯、冲 –电火化加工、电解加工、超声加工
主要成形加工方法及特点
越王勾践剑：
相传为春秋晚期铸剑名师欧冶子所铸 长55.6厘米 宽4.6厘米 1965年湖北省江陵县望山出土 湖北省博物馆藏 剑身有菱形暗纹，格上花纹嵌蓝琉璃及 绿松石。出土时插在素漆木鞘中，茎上 缠有丝绳。近格处铭“越王勾践自作用 剑”二行八字。此剑出于楚墓，在墓主 骨架左侧，作为随身佩剑。剑至今锋 利，光泽夺目，堪称吴越名剑之代表作。
推荐教学参考书
• 材料成形基本原理
–刘全坤，机械工业出版社，2005
源自文库
• 材料成形原理
–陈平昌，朱云妹，李瓒，机械工业出版社， 2001
• 近代材料加工原理
–吴德海，任家烈，陈森灿，清华大学出版 社，1997
•
思考题
1. 什么是成形（热）加工和机械（冷）加工？ 2. 从材料学科和从制造学科来认识材料加工有 什么不同？ 3. 作为技艺和作为科学来看待材料加工，区别 在哪里？ 4. 材料加工技艺，我国曾领先于世界，材料加 工理论没有发源于中国，原因何在？
高分子材料四种成型技术 ppt课件
PPT课件
10
影响压延制品质量的因素
影响压延制品质员的因素很多，一般说来，可以归纳为四个方面。即压延机的操 作因素，原材料因素，设备因素和辅助过程中的各种因素。所有这些因素对各种塑 料的影响都是相同的，但以压延软聚氯乙烯制品最为复杂。下面以此为例来说明各 种因素的影响。
（一）、压延机的操作因素 １、辊温与辊速 ２、辗简的速比 3、辊距与存料量
PPT课件
8
挤出成型的用途
挤出成型工艺适合于所有的高分子材料。塑料挤出成型 亦称挤塑或挤出模塑，几乎能成型所有的热塑性塑料， 也可用于热固性塑料，但仅限于酚醛等少数几种热固性 塑料，且可挤出的热固性塑料制品种类也很少。塑料挤 出的制品有管材、板材、捧材、片材、薄膜、单丝、线 缆包裹层、各种异型材以及塑料与其他材料的复合物等。 目前约50%的热塑性塑料制品是挤出成型的。
它是将预加热成塑性状态的胶料经注射模的浇注系统注入模具中定型硫化。 特点：结构复杂、适 用于大型、厚壁、薄壁、形状复杂的制品。生产效率高、质量稳定、能实现自动化生产。
PPT课件
5
注射成型技术的发展主流一般具有如下技术特征：(1)以组合 不同材料为特征的注射成型方法，如镶嵌成型、夹心成型、多材 质复合成型、多色复合成型等；(2)以组合惰性气体为特征的注 射成型方法，如气体辅助注射成型、微孔泡沫塑料注射成型等； (3)以组成化学反应过程为特征的注射成型方法，如反应注射成 型、注射涂装成型等；(4)以组合压缩或压制过程为特征的注射 成型方法，如注射压缩成型、注射压制成型、表面贴合成型等； (5)以组合混合混配为特征的注射成型方法，如直接(混配)注射成 型等；(6)以组合取向或延伸过程为特征的注射成型方法，如磁 场成型、注拉吹成型、剪切场控制取向成型、推拉成型、层间正 交成型等；(7)以组合模具移动或加热等过程为特征的注射成型 方法，如自切浇口成型、模具滑合成型、热流道模具成型等。
材料加工冶金传输原理第三章(吴树森版)
V1=16.32m/s， V2=4.08m/s， V3=1.02m/s
第三节 欧拉方程
方程推导依据：F=ma或动量守恒定律
推导方法：对微元控制体dxdydz 运用F=ma或动量守恒定律。 作用在微元体上的力有：
表面力 P; 质量力 X、Y、Z
第三节 欧拉方程
第三节 欧拉方程
(3 - 14)
第二节 连续性方程
引入哈密顿算子：
x y z
1 d
dt 则式（3-14)可改写为： d
dt
V 0
(3 - 15) （3 - 16）
V 0
第二Βιβλιοθήκη Baidu 连续性方程
d 对不可压缩流体，ρ=常数， 0 dt
v y v x v z 式（3-14）可改写为： 0 x y z
适用范围——可压缩、不可压缩流体，稳定流、非稳定流。
用矢量表示—— W 1 P D v
Dt
(3 - 30)
第三节 欧拉方程
把各分加速度带入
dv x v x v x v x v x vx vy vz ax （3 - 3） dt t x y z 代入式（3-29）得： v x v x v x v x 1 P X x t v x x v y y v z z v y v y v y v y 1 P vx vy vz (3 - 31) Y y t x y z v z v z v z v z 1 P Z z t v x x v y y v z z 方程（3-31）中：一般情况下X、Y、Z是已知的，对不可压缩流 体ρ=常数。4个变量ux，uy，uz，P，三个动量方程，加上连续性方 程就可求解流体流动问题。
第三节 欧拉方程
方程推导依据：F=ma或动量守恒定律
推导方法：对微元控制体dxdydz 运用F=ma或动量守恒定律。 作用在微元体上的力有：
表面力 P; 质量力 X、Y、Z
第三节 欧拉方程
第三节 欧拉方程
(3 - 14)
第二节 连续性方程
引入哈密顿算子：
x y z
1 d
dt 则式（3-14)可改写为： d
dt
V 0
(3 - 15) （3 - 16）
V 0
第二Βιβλιοθήκη Baidu 连续性方程
d 对不可压缩流体，ρ=常数， 0 dt
v y v x v z 式（3-14）可改写为： 0 x y z
适用范围——可压缩、不可压缩流体，稳定流、非稳定流。
用矢量表示—— W 1 P D v
Dt
(3 - 30)
第三节 欧拉方程
把各分加速度带入
dv x v x v x v x v x vx vy vz ax （3 - 3） dt t x y z 代入式（3-29）得： v x v x v x v x 1 P X x t v x x v y y v z z v y v y v y v y 1 P vx vy vz (3 - 31) Y y t x y z v z v z v z v z 1 P Z z t v x x v y y v z z 方程（3-31）中：一般情况下X、Y、Z是已知的，对不可压缩流 体ρ=常数。4个变量ux，uy，uz，P，三个动量方程，加上连续性方 程就可求解流体流动问题。
高分子材料基础第一二章
例： 聚甲醛 ━ O ━ CH2 ━
尼龙6
━ NH ━(CH2)5 ━ CO ━
元素有机聚合物：是指大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝、
氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机团如甲基、乙基、芳基等组 成。 CH3 │ 例：硅橡胶 ━ O ━ Si ━ │ CH3 22 高分子材料基础 第一、二章
晶态结构：原子在三维空间
呈周期性的无限有序排列结构。
高分子材料基础 第一、二章
10
高分子材料基础 第一、二章
11
高分子材料基础 第一、二章
12
晶体结构与非晶体结构的不同点
相关性质 晶体结构 非晶体结构
（无定型结构） （玻璃态结构）
构成物质的微粒
（离子、原子、分子）
排列有规则
不规则排列
熔点
有固定熔点
1．根据聚合物和单体元素组成和结构的变化可将聚合反分为：
加聚反应——单体加成而聚合起来的反应。加聚反应生成的聚合物称为加聚物。
其分子量是单体分子量与聚合度的乘积。
如氯乙烯聚合成聚氯乙烯的反应：
n CH2═CH ∣ Cl —(CH2—CH—)n ∣ Cl
缩聚反应——在聚合反应过程中，除形成聚合物外，同时还有低分子副产物形
高分子材料基础 第一、二章 20
2.1.2 命名
商品名称（专利名称）——是由材料制造商命名的，突出所指 的是商品或品种，一般是按商号章程设计。 习惯名称——是人们沿用已久的习惯叫法。 如：聚酰胺类——称：尼龙 聚对苯二甲酸乙二醇酯——称：涤纶
尼龙6
━ NH ━(CH2)5 ━ CO ━
元素有机聚合物：是指大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝、
氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机团如甲基、乙基、芳基等组 成。 CH3 │ 例：硅橡胶 ━ O ━ Si ━ │ CH3 22 高分子材料基础 第一、二章
晶态结构：原子在三维空间
呈周期性的无限有序排列结构。
高分子材料基础 第一、二章
10
高分子材料基础 第一、二章
11
高分子材料基础 第一、二章
12
晶体结构与非晶体结构的不同点
相关性质 晶体结构 非晶体结构
（无定型结构） （玻璃态结构）
构成物质的微粒
（离子、原子、分子）
排列有规则
不规则排列
熔点
有固定熔点
1．根据聚合物和单体元素组成和结构的变化可将聚合反分为：
加聚反应——单体加成而聚合起来的反应。加聚反应生成的聚合物称为加聚物。
其分子量是单体分子量与聚合度的乘积。
如氯乙烯聚合成聚氯乙烯的反应：
n CH2═CH ∣ Cl —(CH2—CH—)n ∣ Cl
缩聚反应——在聚合反应过程中，除形成聚合物外，同时还有低分子副产物形
高分子材料基础 第一、二章 20
2.1.2 命名
商品名称（专利名称）——是由材料制造商命名的，突出所指 的是商品或品种，一般是按商号章程设计。 习惯名称——是人们沿用已久的习惯叫法。 如：聚酰胺类——称：尼龙 聚对苯二甲酸乙二醇酯——称：涤纶
相关主题
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错配度 aC aN 100%
aN
δ越小，共格情况越好，界面张力σLC越小，越容易
进行非均质形核； δ≤5% ，为完全共格，非均质形核能力强
5% ＜ δ＜25%，为部分共格，衬底基底有一定非均 质形核能力
δ＞25%，为不共格，衬底无非均质形核能力
外来物质表面形貌
• 杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响 凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差 。
G1 VSp VS
1 1
r1 r2
2VS k
欲保持固相稳定，必须有一相应过冷度ΔTr使
自由能降低与之平衡（抵消）。
G2
H mTr
Tm
即G1 G2
2Vsk
H mTr Tm
0
Tr
2k VsTm
H m
G ΔG
T
由固相曲率引起 的自由能升高。
Tm H m T
所以：
G
1 3
A CL
ΔG*的大小为临界晶核表面能的三分之一。形核功由熔体中的
“能量起伏”提供。
能量起伏是结晶的必要条件之三
气相中单个小尺寸金属的熔点
熔体中小结晶颗粒的熔点T3
Gls system
4 r3
3
Gs
Gl
4r 2 CL
r 2 SCLLVSTm HGmV T
过冷是结晶的必要条件之一
结构起伏与能量起伏
回忆：实际液 态金属结构？
结构起伏是结晶的必要条件之二
临界晶核的表面积为：
A
4 (r )2
16
2 CL
Tm H mT
2
而：
2
G
16
3
3 CL
两个过程重叠交织
形核
长大 形成多晶体
生核过程
均匀形核
非均匀形核
是指完全依靠液态金属中 的晶胚形核的过程，液相 中各区域出现新相晶核的
几率都是相同的。
生核过程
均匀形核
非均匀形核
是指晶胚依附于液态 金属中的固态杂质表
面形核的过程。
均质形核
G均
4 3
r
3GV
4r 2 CL
dG均 0 dr
第二章液态金属及其加工
2.2 液态金属凝固结晶的热力学与动力学
• 金属凝固结晶的热力学条件 • 均质形核 • 异质形核 • 晶体生长
凝固的热力学条件
G GL GS
HL TSL HS TSS
HL HS T SL SS
H TS
Gm Hm TSm
螺旋位错生长
v3 K3 TK2
不同生长机制的生长速度与过冷度的关系
2.3 液态金属的冶金处理
• 影响形核的冶金处理 • 影响生长的冶金处理
(1)引入有效的异质形核基底
共格和半共格关系
aS aC 100%
aC
（2）形成先凝固的同质核心基底
Al-Ti 和Al-B相图
细化处理前后Al-7Si合金的组织
3. 如果液态金属的结构是均匀的，结晶将如何进行？ 4. 液态金属的冶金处理是通过哪些途径改变或控制凝固过程和凝固组织的？
研讨题：
按热力学理论估算，大多数金属当尺寸很小时（如小于2nm），其熔点将降至室温以下。 我们能在室温下拥有（制备和储存）如此小尺寸的金属粉末（颗粒）吗？为什么？
3)液态金属状态 过热对异质核心的影响
晶体长大
正温度梯度下的凝固界面形态
负温度梯度下的凝固界面形态
Jackson因子与界面形态
H0 kBTm
粗糙与光滑界面
二维和缺陷生长机制
不同生长机制的生长速度与过冷度的关系
连续生长 二维台阶生长
v1 K1 TK v2 K2 eB TK
核心的液体原子数
液体原子 振动频率
被固相接受 的几率
金属原子在结晶过程 液体原子扩散 中的自由能变化
激活能
均质形核率
I
均
I I
NCS peNxLpe(xpKGTAG)AkeBxTpG( 均* KTG
*
)
k1
C exp( GA ) exp( 16
ΔTr
Tm
GS
GL
温度
表明： 曲率对物质熔点的影响：固相表面曲率引 起熔点降低。
曲率越大（晶粒半径r越小），物质熔点 温度越低。
均质形核率
I均 f0N*
N
*
NL
exp
G均* kBT
单位体积液 相中的原子数
形核功
f0 NSp
固液界面紧邻固体
exp
GA kBT
2 LCTm
H T
• 将r*值代入△G非式，求得非均质形核的临界形核 功△G非*为
G非*
16
3
3 Lc
(
Tm H m T
)2[
2
3 cos
4
cos3
]
G均* f ( )
单位体积中液相 与非均质核心部 位接触的原子数
异质形核率
I异
f1N1*
f1
N
* L
GV
HV
TSV
Gm Vm
凝固的热力学条件
∆GV= ∆HV−Tm ∆SV = 0
SV
HV Tm
GV HV TSV
GV
HV T Tm
H m T VmTm
液－固两相自由能与温度的关系
凝固的热力学条件
• 凝固的热力学和 动力学能障
– 界面能 – 激活能
金属结晶微观过程
exp
G异* kBT
f1N
* L
exp
G均* f
kBT
f1
N
* L
exp
B f
T 2
B
16 C3LTm2
3HV2 k BT
影响异质形核率的因素
1)过冷度 过冷度↑形核率↑
2)界面状况 点阵失配度、夹杂物基底形态
exp 3
LC (
GA G均*
kBT
Tm )2 )
KT
3KT H T
形核率
是指单位时间内单位体积液体中形成晶 核的数量。用N＝N1*N2表示。
形核功影响
原子扩散能力
急冷
非晶态材料
异质形核
LS CS CL cos
G异 VCGV ACS CS LS ACLCL
r均*
2 CL
HV
Tm T
GV
HV T Tm
G均*
16
3
T 3 2
CL m
HV2T 2
4r 2
G*
O
r*
r
4 3
r
3GV
G
液体中存在“结构起伏”的原子集团，其统计平均尺寸 r°随温度降低（ΔT增大）而增大，r°与 r* 相交，交 点的过冷度即为均质形核的临界过冷度ΔT*（约为 0.18~0.20Tm）。
e
0.020wt%Sr
Si相的孪晶与大角度分枝
石墨结构与生长方式
球状石墨的生பைடு நூலகம்模型
球化前后的石墨组织
思考题：
1. 液态金属的主要结构信息有哪些？其表征和测定方法怎样？这些结构与性质会对液态金属 的凝固过程和凝固组织有什么影响？
2. 常用金属融化时的熵变与升华时的的熵变相大概是一个什么样的比例？这种熵变差异对金 属从液态结晶和从气相中结晶的界面形态有什么影响？
• 因此，形成了一个球形晶核的总自由能变化△G非为
G非 V冠GV LC SLC ( CS LS )SC S
[
4 r3
3
GV
4
r
2
LC
][
2
3
cos
4
cos3
]
G均 f ( )
• 非均质形核的临界晶核半径为
r非*
2 SC
GV
（3）形成瞬时局部形核条件
Si对铸铁的孕育作用机理
孕育前后的灰铁晶粒度
影响晶粒长大的冶金处理 变质处理对Al-Si合金性能的影响
Al-7Si合金变质前后的硅相形态
Sr对亚共晶铝硅合金的变质作用
a
b
c
d
e
a
unmodified
b
0.005wt%Sr
c
0.010wt%Sr
d
0.015wt%Sr
4 3
r
3GV
4r 2 CL
4 3
r
3
HV
TSV
4r 2 CL
令：
Gls system
0
熔体中小结晶颗粒的熔点下降∆ T3
T3
1
3 CL
rHV
Tm
T3
Tm
T3
3 CLTm
rHV
由于表面张力σ的存在，固相曲率k引起固相内 部压力增高，这产生附加自由能：
aN
δ越小，共格情况越好，界面张力σLC越小，越容易
进行非均质形核； δ≤5% ，为完全共格，非均质形核能力强
5% ＜ δ＜25%，为部分共格，衬底基底有一定非均 质形核能力
δ＞25%，为不共格，衬底无非均质形核能力
外来物质表面形貌
• 杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响 凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差 。
G1 VSp VS
1 1
r1 r2
2VS k
欲保持固相稳定，必须有一相应过冷度ΔTr使
自由能降低与之平衡（抵消）。
G2
H mTr
Tm
即G1 G2
2Vsk
H mTr Tm
0
Tr
2k VsTm
H m
G ΔG
T
由固相曲率引起 的自由能升高。
Tm H m T
所以：
G
1 3
A CL
ΔG*的大小为临界晶核表面能的三分之一。形核功由熔体中的
“能量起伏”提供。
能量起伏是结晶的必要条件之三
气相中单个小尺寸金属的熔点
熔体中小结晶颗粒的熔点T3
Gls system
4 r3
3
Gs
Gl
4r 2 CL
r 2 SCLLVSTm HGmV T
过冷是结晶的必要条件之一
结构起伏与能量起伏
回忆：实际液 态金属结构？
结构起伏是结晶的必要条件之二
临界晶核的表面积为：
A
4 (r )2
16
2 CL
Tm H mT
2
而：
2
G
16
3
3 CL
两个过程重叠交织
形核
长大 形成多晶体
生核过程
均匀形核
非均匀形核
是指完全依靠液态金属中 的晶胚形核的过程，液相 中各区域出现新相晶核的
几率都是相同的。
生核过程
均匀形核
非均匀形核
是指晶胚依附于液态 金属中的固态杂质表
面形核的过程。
均质形核
G均
4 3
r
3GV
4r 2 CL
dG均 0 dr
第二章液态金属及其加工
2.2 液态金属凝固结晶的热力学与动力学
• 金属凝固结晶的热力学条件 • 均质形核 • 异质形核 • 晶体生长
凝固的热力学条件
G GL GS
HL TSL HS TSS
HL HS T SL SS
H TS
Gm Hm TSm
螺旋位错生长
v3 K3 TK2
不同生长机制的生长速度与过冷度的关系
2.3 液态金属的冶金处理
• 影响形核的冶金处理 • 影响生长的冶金处理
(1)引入有效的异质形核基底
共格和半共格关系
aS aC 100%
aC
（2）形成先凝固的同质核心基底
Al-Ti 和Al-B相图
细化处理前后Al-7Si合金的组织
3. 如果液态金属的结构是均匀的，结晶将如何进行？ 4. 液态金属的冶金处理是通过哪些途径改变或控制凝固过程和凝固组织的？
研讨题：
按热力学理论估算，大多数金属当尺寸很小时（如小于2nm），其熔点将降至室温以下。 我们能在室温下拥有（制备和储存）如此小尺寸的金属粉末（颗粒）吗？为什么？
3)液态金属状态 过热对异质核心的影响
晶体长大
正温度梯度下的凝固界面形态
负温度梯度下的凝固界面形态
Jackson因子与界面形态
H0 kBTm
粗糙与光滑界面
二维和缺陷生长机制
不同生长机制的生长速度与过冷度的关系
连续生长 二维台阶生长
v1 K1 TK v2 K2 eB TK
核心的液体原子数
液体原子 振动频率
被固相接受 的几率
金属原子在结晶过程 液体原子扩散 中的自由能变化
激活能
均质形核率
I
均
I I
NCS peNxLpe(xpKGTAG)AkeBxTpG( 均* KTG
*
)
k1
C exp( GA ) exp( 16
ΔTr
Tm
GS
GL
温度
表明： 曲率对物质熔点的影响：固相表面曲率引 起熔点降低。
曲率越大（晶粒半径r越小），物质熔点 温度越低。
均质形核率
I均 f0N*
N
*
NL
exp
G均* kBT
单位体积液 相中的原子数
形核功
f0 NSp
固液界面紧邻固体
exp
GA kBT
2 LCTm
H T
• 将r*值代入△G非式，求得非均质形核的临界形核 功△G非*为
G非*
16
3
3 Lc
(
Tm H m T
)2[
2
3 cos
4
cos3
]
G均* f ( )
单位体积中液相 与非均质核心部 位接触的原子数
异质形核率
I异
f1N1*
f1
N
* L
GV
HV
TSV
Gm Vm
凝固的热力学条件
∆GV= ∆HV−Tm ∆SV = 0
SV
HV Tm
GV HV TSV
GV
HV T Tm
H m T VmTm
液－固两相自由能与温度的关系
凝固的热力学条件
• 凝固的热力学和 动力学能障
– 界面能 – 激活能
金属结晶微观过程
exp
G异* kBT
f1N
* L
exp
G均* f
kBT
f1
N
* L
exp
B f
T 2
B
16 C3LTm2
3HV2 k BT
影响异质形核率的因素
1)过冷度 过冷度↑形核率↑
2)界面状况 点阵失配度、夹杂物基底形态
exp 3
LC (
GA G均*
kBT
Tm )2 )
KT
3KT H T
形核率
是指单位时间内单位体积液体中形成晶 核的数量。用N＝N1*N2表示。
形核功影响
原子扩散能力
急冷
非晶态材料
异质形核
LS CS CL cos
G异 VCGV ACS CS LS ACLCL
r均*
2 CL
HV
Tm T
GV
HV T Tm
G均*
16
3
T 3 2
CL m
HV2T 2
4r 2
G*
O
r*
r
4 3
r
3GV
G
液体中存在“结构起伏”的原子集团，其统计平均尺寸 r°随温度降低（ΔT增大）而增大，r°与 r* 相交，交 点的过冷度即为均质形核的临界过冷度ΔT*（约为 0.18~0.20Tm）。
e
0.020wt%Sr
Si相的孪晶与大角度分枝
石墨结构与生长方式
球状石墨的生பைடு நூலகம்模型
球化前后的石墨组织
思考题：
1. 液态金属的主要结构信息有哪些？其表征和测定方法怎样？这些结构与性质会对液态金属 的凝固过程和凝固组织有什么影响？
2. 常用金属融化时的熵变与升华时的的熵变相大概是一个什么样的比例？这种熵变差异对金 属从液态结晶和从气相中结晶的界面形态有什么影响？
• 因此，形成了一个球形晶核的总自由能变化△G非为
G非 V冠GV LC SLC ( CS LS )SC S
[
4 r3
3
GV
4
r
2
LC
][
2
3
cos
4
cos3
]
G均 f ( )
• 非均质形核的临界晶核半径为
r非*
2 SC
GV
（3）形成瞬时局部形核条件
Si对铸铁的孕育作用机理
孕育前后的灰铁晶粒度
影响晶粒长大的冶金处理 变质处理对Al-Si合金性能的影响
Al-7Si合金变质前后的硅相形态
Sr对亚共晶铝硅合金的变质作用
a
b
c
d
e
a
unmodified
b
0.005wt%Sr
c
0.010wt%Sr
d
0.015wt%Sr
4 3
r
3GV
4r 2 CL
4 3
r
3
HV
TSV
4r 2 CL
令：
Gls system
0
熔体中小结晶颗粒的熔点下降∆ T3
T3
1
3 CL
rHV
Tm
T3
Tm
T3
3 CLTm
rHV
由于表面张力σ的存在，固相曲率k引起固相内 部压力增高，这产生附加自由能：