金属凝固理论
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。
金属凝固原理复习大纲
金属凝固原理复习大纲绪论1、凝固定义宏观上：物质从液态转变成固态的过程.微观上：激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程。
2、液态金属凝固的实质:原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程液态金属的结构特征:“近程有序”、“远程无序”组成:液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成3、液态金属的性质：粘度和表面张力粘度的物理意义：单位接触面积，单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力粘度的本质上是原子间的结合力影响液体金属粘度的主要因素是：化学成分、温度和夹杂物表面张力的物理意义：作用于表面单位长度上与表面相切的力,单位N/m影响液体金属表面张力的主要因素是:熔点、温度和溶质元素。
取决于质点间的作用力4、液体结构的特性：近程有序和远程无序晶体：凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。
单晶体：在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体多晶体：大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。
吸附是液体或气体中某种物质在相界面上产生浓度增高或降低的现象。
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当向溶液中加入某种溶质后,使溶液表面自由能降低，并且表面层溶质的浓度大于溶液内部深度，则称该溶质为表面活性物质（或表面活性剂），这样的吸附称为正吸附.反之，如果加入溶质后，使溶液的表面自由能升高,并且表面层的溶质浓度小于液体内部的浓度，则称该溶质为非表面活性物质（或非表面活性剂），这样的吸附为负吸附第一章凝固过程的传热1、凝固过程的传热特点：“一热、二迁、三传”“一热”指热量的传输是第一重要；“二迁”指存在两个界面，即固－液相间界面和金属－铸型间界面。
“三传”指动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维热物理过程。
2、金属型特点：具有很高的导热性能；非金属型铸造特点：与金属相比具有非常小热导率，故凝固速度主要取决于铸型的传热性能。
铸型外表面温度变化不大,故可把铸型看成是半无限厚的。
金属凝固理论
2. 负温度梯度下生长的晶体形态
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如：白磷在低长大速度时（小过冷度ΔT）为小晶面界面，在长大速度增大到一定时，却转变为非小晶面。 非均质形核临界晶核半径： 粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。 在相变驱动力的驱使下，借助 得临界晶核半径 r*： 一、 液-固界面自由能及界面结构 非均质形核与均质形核时临界曲率半径大小相同，但球缺的体积比均质形核时体积小得多。 由于前面讨论的热力学因素，生长过程中仍可维持粗糙面的界面结构。 其生长方向为界面的法线方向，即垂直于界面生长。 1、粗糙界面与光界滑面 三、晶体宏观生长方式 只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续长大”。 由金属原子穿越界面过程所引起 液态相间的界面，界面具有界面 只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续长大”。 凝固动力学是研究形核、界面结构及晶体长大。 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。
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Chapter 4 Thermodynamics and kinetics of solidification
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主要内容
4.1 凝固热力学 4.2 凝固动力学 4.3 纯金属的晶体长大
4.1 凝固热力学
4.1.1 ห้องสมุดไป่ตู้-固相变驱动力
4.1.2 溶质平衡分配系数（K0）
4.1.1 液-固相变驱动力
错配 度 aCaNaN10% 05%完 , 全共 格 25% ； 完 , 全不共
晶格结构越相似，它们之间的界面能越小 ，越易形核。
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 。
4.3 纯金属的晶体长大
一、 液-固界面自由能及界面结构 二、 晶体长大机制 三、 晶体宏观生长方式
金属凝固理论答案
1.凝固速度对铸件凝固组织、性能与凝固缺陷的产生有重要影响。
试分析可以通过哪些工艺措施来改变或控制凝固速度？答：① 改变铸件的浇注温度、浇铸方式与浇铸速度；② 选用适当的铸型材料和起始（预热）温度； ③ 在铸型中适当布置冷铁、冒口与浇口；④ 在铸型型腔内表面涂敷适当厚度与性能的涂料。
2. 影响铸件凝固方式的因素有哪些？答：①合金凝固温度区间；②铸件断面的温度梯度。
3. 何为凝固动态曲线？有何意义？答： 凝固动态曲线：在凝固体的断面上，不同时间、不同位置达到同一温度点（液相温度、固相温度）连接起来的曲线。
意义：判断金属在凝固过程中两相去的宽窄由两相区的宽窄判断凝固断面的凝固方式。
4. 凝固方式分为几种？对铸件质量有何影响？ 答：①逐层凝固方式，对铸件质量的影响：流动性能好，容易获得健全的铸件。
液体补缩好，铸件的组织致密，形成集中缩孔的倾向大（形成缩松的倾向小，可以采用一定的工艺措施消除集中缩孔）。
热裂倾向小（因为热裂是在凝固区形成的，凝固区域窄，晶间不易出现裂纹，即使出现也可以焊合）。
气孔倾向小，应力大，宏观偏析严重。
②体积凝固方式，对铸件质量的影响：流动性能不好，不容易获得健全的铸件。
液体补缩不好，铸件的组织不致密，热裂形成集中缩孔的倾向小。
热裂倾向大（因为热裂是在凝固区形成的，凝固区域宽，晶间易出现裂纹），气孔倾向大，应力小，宏观偏析不严重。
③中间凝固方式，对铸件质量的影响：可大幅改善铸件的组织和降低铸件的中心缺陷，介于前两者之间。
5．凝固时间“平方根定律”与“折算厚度法则”有何区别？ 答：“平方根定律”是对于大平板，球体和长圆柱体铸件比较准确，对于短而粗的杆和矩形；“折算厚度法则”考虑了铸件形状，由于边角效应的影响，计算结果一般比实际凝固时间长10%~20%。
“折算定律”考虑了铸件形状影响因素，接近实际，是对“平方根定律”的修正。
它们形式一样但意义不一样。
6. 比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长？。
金属凝固理论 第4章 液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动
金属的凝固温度越高，在凝固过程中铸件表面和铸型内表 面的温度越高，铸型内外表面的温差就越大，致使铸件断 面温度场出现较大的梯度。如有色金属与钢铁相比，其温 度场较平坦。
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（2）铸型性质的影响 1）铸型的蓄热系数
铸型的蓄热系数越大，对铸件的冷却能力就越大， 铸件内的温度梯度就越大。铸型的导热系数越大， 能把铸型内表面吸收的热迅速传至外表面，使铸 型内表面保持强的吸热能力，铸件内的温度梯度 也就大。
向中心推进时，把铸型加热到更高温度，所以铸 件内温度场较平坦。
2）铸件的形状 铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同。
向外凸出的部分，散出的热量被较大体积的铸型 所吸收，铸件的冷速较大，如果铸件内凹的表面， 则相反。
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三、铸件的凝固方式及影响因素
TL
TS
L
S+L S
第四章 液态金属凝固过程 中的传热、传质及液体流动
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第一节 凝固过程中的传热
在材料成形过程中，液态金属的过热热量和 凝固潜热主要是通过传导而释放的。
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一、凝固过程中的热传导及傅里叶方程
温度场基本概念: 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），其表达式为：
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T n
Tw Tf
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凝固过程中，热量传递有三种形式：传导、辐射、 对流。
以热传导为主。 热传导过程取决于温度的分布——温度场：温度
随空间和时间的变化。 T = f（x，y，z，t） Fourier热传导方程：
金属凝固理论 第12章 缩孔与缩松
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二、收缩的三个阶段
1．液态收缩：铸造合金从浇注温度冷却到液相 线温度发生的体收缩称为液态收缩。
2．凝固收缩：金属从液相线温度到固相线温度 间产生的体收缩称为凝固收缩。
3．固态收缩：金属在固相线以下发生的体收缩 称为固态收缩。
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液态收缩和凝固收缩越严重，缩孔越大； 固态收缩越大，缩孔越小。
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五、铸铁的收缩
1、液态收缩
铸铁的液态体收缩系数v液随碳含 量的提高而增大。
根据状态图，随铸铁的碳含量增加， 其液相线温度下降，温差也增大。
所以，当浇注温度一定时， v液随 碳量的增加而增大。
2、凝固收缩
亚共晶白口铸铁的凝固收缩和碳钢 相似，是状态改变和温度降低共同 作用的结果。
3）机械阻力 当铸件由于本身结构具有突出部分或内腔部分有型芯， 在收缩时会受到铸型和型芯的阻力，而不能自由收缩， 这种阻力称为机械阻力。与造型材料的强度和退让性、 铸型和型芯的紧实度、箱档和芯骨的位置、及铸件本 身的厚度和长度有关。
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第十二章 缩孔与缩松
材料成型与控制专业
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主要内容
第一节 收缩 第二节 缩孔与缩松的形成机理 第三节 影响缩孔与缩松的因素及防止措施
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第一节 收缩
一、收缩的基本概念 1、金属收缩现象 金属从液态转变为固态发生的收缩： ① 液态金属冷却，随着温度下降，空穴数量减
碳钢的凝固收缩率如下表所示。
Wc%
v凝%
0.10 0.25 0.35 0.45 0.70 2.0 2.5 3.0 4.3 5.3
第十一章 凝固理论基础
第十一章凝固理论基础11．1 引言凝固是液态金属转变为固态金属的过程，凝固产品可以是铸件、铸锭。
从微观上看，凝固是金属原子由无序到有序的转变，从宏观上看，它是把液态金属中贮藏的显热和凝固潜热传输到外界，使液态金属转变为有固定形状的固态。
理论和实践均表明，金属材料的性能一方面取决于金属的化学成份及纯净度，另一方面取决于其组织结构。
其中化学成份及纯净度，由冶炼过程控制，组织结构则取决于凝固过程的控制，凝固所发过程所发生的物理化学变化将直接关系到金属铸件或锭、坯的质量，并进一步影响到最终产品的质量和生产成本。
由于凝固控制的独特地位，所以一直受到冶金工作者的高度重视，加强凝固过程的控制已成为金属材料制备的一个重要方面。
11．2 纯金属的凝固纯金属是我们所研究的凝固过程最简单的情况。
由于纯金属具有单一成份，因而不论在秤和非平衡情况下都不会出现溶质的偏析。
一、 纯金属凝固过程的温度变化图11-1纯金属凝固过程的温度变化如图11-1所示。
可以看出，凝固过程将由四个阶段组成：（1） 金属液体的冷却降温阶段。
在这个阶段，过热的液态合金释放出液态的显热，温度逐渐降低。
181（2） 形核阶段。
根据物理化学理论，凝固的形核过程要求有一定的过冷度。
特别是对均质形核，要求有较大的过冷度，因而温度将会降低到凝固温度以下；（3） 晶核的长大。
稳定的晶核形成以后，将会持续长大，不断释放出凝固潜热，这时温度将会回复到凝固温度；（4） 完全凝固后金属降温。
高温固态金属逐步释放显热，向常温过渡。
二、 温度梯度的影响相图表示的凝固过程在是一个理想的平衡凝固过程，在凝固温度时，温度将保持不变直到金属完全凝固。
实际凝固过程是非平衡过程，在金属内部的热量要求向外传输的过程中，要求有一定的温度梯度。
晶体要长大，则界面温度必须低于凝固温度。
界面上的过冷度提供了使界面向液相方向推移的驱动力，使凝固得以持续进行。
在界面的过冷度越大，则晶体长大的驱动力越大。
金属凝固原理
金属凝固原理
金属凝固原理是物理学中最重要的概念之一，它是指当温度降低到一定程度时，金属内部从液态直接过渡到固态的过程。
这种过程叫做凝固或结晶。
在该过程中，金属内部具有一种特殊的结构，即“金属晶格”。
金属晶格是一种稳定的结构，由许多小空间和原子构成，并且可以承受很大的力。
金属凝固原理是一个相对复杂的概念，涉及到物理学、化学、材料学等多个领域。
它的基本原理是，温度降低时，金属内部产生秩序，原子开始排列形成一种晶格结构，从而使金属变成固态。
金属凝固原理是金属加工工艺中最重要的一环，同时也是材料性能分析的基础。
因此，金属凝固原理的研究和应用对于金属加工工艺的改进和优化具有重要意义。
首先，金属凝固原理的研究依赖于量子力学理论，也就是研究金属晶格中原子的行为。
在量子力学理论的基础上，工程师可以利用计算机模拟金属的凝固过程，进一步探究金属凝固原理。
其次，金属凝固原理的研究也受益于材料科学技术的发展。
如X射线衍射仪（XRD）可以检测金属内部晶格结构的信息，从而更好地理解金属凝固原理。
此外，金属凝固原理的研究也受益于材料工程学的发展。
例如，在实验室中，可以通过不同的温度调节和材料组成，模拟金属凝固过程，以更深入地理解金属凝固原理。
金属凝固原理是物理学、化学、材料学等多个领域的重要内容，其研究对金属加工工艺的改进和优化具有重要意义。
因此，金属凝固原理的研究将会在未来发挥重要作用。
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。
第1章 凝固理论
扩散系数D=D0exp(-GA/KT)，其中GA 为 扩散激活能，D0为随系统而变的常数
G * ni n exp KT
G * 4r *2 D0 exp G A C exp G A exp G * I n exp KT KT KT KT a2 a2
hkl ((hkl))ns 3 1 | d [uvw]i cos d [uvw]in | s 100% i 3 i 1 d [uvw]n
• 其中，(hkl)s是衬底的低指数晶面；[uvw]s是(hkl)s中低指数方向； (hkl)n是形核固相的低指数晶面；[uvw]n是(hkl)n中低指数方向； d[uvw]s和d[uvw]n分别是沿[uvw]s和[uvw]n的原子间距， 是[uvw]s 与[uvw]n之间夹角。
形核前后表面 G A A A r 2 2 3 cos cos 3 S LS 2 SC 1 LC 1 LS 自由能变化 形核前后体积 V G r 2 2 3 cos cos 3 GV V 自由能变化 VS 3 VS 3 3 形核时总的自 GV G he V GV G S 4r 4r 2 LS 2 3 cos cos 3 VS VS 4 由能变化为
CS Tm T mS
CL
Tm T mL
T1
K0
C S Tm T mS m L C L Tm T m L m S
S
A
CS
CL
C
均质形核之
形核功及临界半径
当液体金属中出现晶体 时，系统自由能的变化 液相与固相之间的摩尔体积自由能 差（GV），它是相变驱动力 由于出现固液界面，使系统增加了 界面能（GS），它是相变阻力
金属凝固理论.
⾦属凝固理论.快速凝固理论与技术的研究及应⽤摘要快速凝固技术是近年来得到⼴泛发展和应⽤的新型材料的制备技术，其特点是具有较⾼的冷却速率和明显的⾮平衡效应。
本⽂介绍了快速凝固技术原理、快速凝固得到的组织特征及原因、快速凝固实现⽅法，并对快速凝固技术在制备镁合⾦、铝合⾦、铜合⾦、⾦属纳⽶结构材料中的应⽤作了详细介绍。
快速凝固技术得到的合⾦具有超细的晶粒度，⽆偏析或少偏析的微晶组织，新的亚稳相等与常规合⾦不同的组织和结构特征。
关键词快速凝固；凝固原理；凝固组织；快速凝固实际应⽤Research and Application of Rapid Solidification Theory and TechnologyABSTRACT Rapid solidification technology is the preparation technology of new materials and it is widely developed and applied in recent years.The characteristic of the rapid solidification technology is high velocity of cooling and obvious non-equilibrium effect. This paper mainly introduce the principle, structure and the realization method of rapid solidification technology. It also introduces the application of rapid solidification technology which is in magnesium alloy, aluminum alloy, copper alloy and metal nano structure material in detail. The alloy obtained by rapid solidification technology has ultrafine grain size, microcrystalline structure of segregation-free or less segregation, new metastable phase that conventional alloys do not possess. These features all owned by it surely play an important influence on the theoretical study and the need in actual production of material science and other subjects.KEY WORDS rapid solidification; theory of solidification; structure of solidification; practical application of rapid solidification 凝固是⾦属材料⽣产过程中材料冶⾦质量控制的关键环节。
金属凝固理论重点总结
金属凝固理论复习资料一、名词解释1.能量起伏：金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏”2.结构起伏：液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态，时而长大时而变小，时而产生时而消失，此起彼落，犹如在不停顿地游动。
这种结构的瞬息变化称为结构起伏。
3.浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。
这种成分的不均匀性称为浓度起伏。
4.熔化潜热:将金属加热到至熔点时，金属体积突然膨胀，等于固态金属从热力学温度零度加热到熔点的总膨胀量，金属的其他性质如电阻，粘性等发生突变，吸收的热能。
5.充型能力：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。
6.成分过冷：由溶质再分配导致的界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷。
7.热过冷：仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷8.宏观偏析：又称长程偏析或区域偏析，指较大范围内的化学成分不均匀现象，表现为铸件各部位之间化学成分的差异。
9.微观偏析：微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。
10.微观偏析（1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。
（2）晶界偏析：溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现差异。
它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。
11.宏观偏析：（1）正常偏析：当合金溶质分配系数k<1时，凝固界面的液相中将有一部分被排出，随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高，当k>1时相反。
正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。
（2）逆偏析：即k<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部分含溶质较少。
金属凝固理论思考题【第三章】
第 1 页 共 3 页第三章习题1、在液态金属中，凡是涌现出的小于临界晶核半径的晶肧都不能成核。
但如果有足够的能量起伏，是否可以成核？答：不可以成核。
因为任何一个晶核都是相起伏和能量起伏的共同产物，当任何一项不能满足特定的条件时，液态金属中的晶胚都不能形成稳定的晶核，而是瞬间形成，瞬间消失。
当晶胚尺寸半径小于临界形核半径时，此时的相起伏不能满足形核的热力学条件，因此即使能量起伏足够大，该晶胚也不能成为稳定的晶核。
2、液态金属凝固时需要过冷，那么固态金属熔化时是否需要过热？为什么？ 答：需要。
固态金属熔化为液态金属时，要求固相自由能大于液相自由能（L S G G >），此时0<-=∆S L V G G G ，自由能降低，熔化过程能够自发进行。
当固态金属温度达到理论熔点m T 时，0=∆V G ，固态金属不熔化，只有m T T > 时0<∆V G ，固态金属开始熔化，因此固态金属熔化时需要一定的过热。
3、假设凝固时的临界晶核为立方体形状，求临界形核功。
分析在同样过冷度下均匀形核时，球形晶核和立方晶核哪一个更容易生成？答：设立方体边长为a ，体积为V （3a V =），表面积S （26a S =）。
则 σS G V G V +∆=∆V G ∆ 固-液单位体积自由能之差σ 单位面积表面能σ236a G a G V +∆=∆ 令0'=∆G ，得 VG a ∆-=σ4 即立方体晶核的临界边长 V K G a ∆-=σ4 把K a 带入σ236a G a G V +∆=∆中，整理得 2332V V G G ∆=∆σ 因此临界形核功 2332VK G G ∆=∆σ。
在同样的过冷度下，临界晶核为球形的临界形核功为232')316(])2(4[31VV K G G G ∆=∆=∆σπσσπ，显然'K K G G ∆>∆，球形晶核所需的形核功较小，故更容易生成。
金属凝固理论
第十章铸件形成理论概述铸造: 是一种用液态金属生产制品的工艺方法。
铸件：将金属熔化，成为具有良好流动性的液态，在重力场或其它力（压力、离心力、电磁力等）作用下充满铸型，经凝固和冷却成为具有铸型型腔形状的制品，所铸出的金属制品称为铸件。
铸造的特点：（1）适应性强（2）尺寸精度高（3）成本低（4）缺点：a：铸件尺寸均一性差b：与压力加工和粉末冶金相比，金属的利用率低c ：内在质量比锻件差d：工作环境粉尘多、温度高、劳动强度大、生产效率低等。
第十一章液态金属的结构和性质液态金属的遗传性：铸件的组织和气孔等缺陷与炉料的组织和缺陷有关。
主要体现在以下几个方面: 炉料的组织和缺陷对凝固后铸件或毛坯的组织和缺陷有影响、在液态合金中加入合金元素后，改变了合金中元素与元素之间的相互作用，进而影响凝固后铸件或毛坯的组织、液态金属或合金的结构（如过冷度、净化程度等）不同对凝固后铸件或毛坯的组织有影响，这些影响液态金属或合金熔体结构进而影响凝固后铸件或毛坯的组织与性能称液态金属或合金的遗传性。
金属的液态结构：液体状态的结构有以下特点：1）原子间仍保持较强的结合能2）在熔化时仅在原子集团内有序排列（近程有序排列）。
3）能量起伏大，新的原子集团。
所有原子集团都处于瞬息万变状态。
4）原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在“空穴” 。
自由电子归原子集团中原子公有，仍导电。
5）原子集团的平均尺寸、“游动”速度都与温度有关。
实际金属的液态结构：存在着大量杂质原子，不会很均匀地分布。
游动集团之间存在着成分不均匀性，称为"浓度起伏" 。
因此，实际金属和合金的液体结构中存在着两种起伏，一种是能量起伏，表现为各个原子间能量的不同和各个原子集团间尺寸的不同；另一种是浓度起伏，表现为各个原子集团之间成分的不同。
原因：1）工业多元合金2）原材料杂质3）熔化过程中金属与炉气、熔剂，炉衬的相互作用还会吸收气体带进杂质，甚至带入许多固、液体质点。
金属凝固理论 第5章 单相合金的凝固
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二、“成分过冷”的过冷度
Tc=TL(x’) -T(x’) 将固液界面前方的平衡液相温度（理论凝固温度）分
布曲线TL(x’)的表达式、固液界面前方的实际温度分 布直线T(x’) 的表达式代入上式，可以导出“成分过 冷”的过冷度表达式。
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成分过冷的过冷度:
S
L (b) 最终稳定界面
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二、窄“成分过冷”区的胞状生长
当单相合金生长条件符合：
GL mLC0 (1 k0 )
v
DL k0
（ G2 ） 时 ， 界 面 前 方 产 生 一个窄成分过冷区。界面开 始不稳定。
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（1）界面突起伸入过 冷区内，但过冷区较 窄，因而突出的距离 小，且不会产生侧向 分枝；
GL mLC0 (1 k0 )
v
DL k0
由判据 上式可知，下列条件有助于形成“成分过冷”：
液相中温度梯度小（G L小）； 晶体生长速度快，v 大；
m L大，即陡的液相线斜率；
原始成分浓度高，C 0大；
液相中溶质扩散系数 D L低； K 0＜1 时，K 0 小；K 0＞1 时，K 0 大
工艺因素
材料因素
（1）固液界面溶质再分配 引起成分富集；
（2）固液界面前方液相的 实际温度梯度必须达到一 定的值。即：
GL
dTL (x' ) dx'
x' 0
（从固液界面点做理论凝
固温度曲线的切线，与实
际温度梯度比较。）
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理论凝固温度的确定
合金原始成分C0，平衡结晶温度T0，液相线斜率m，理 论凝固温度Tx：
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。
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20、液态金属的热速处理：
21、模数：折算厚度R=V1/S1，R又称为模数。
22、理想液态金属：指没有任何杂质及缺陷的纯金属熔体。
23、流动性：液态金属本身的流动能力，称为“流正常偏析相反的溶质分布情况，当k0<1时，表面或底部含溶质元素多，而中心部分或上部含溶质较少，这种现象称为逆偏折。
15、动态晶粒细化：动态晶粒细化方法主要是采用机械力或电磁力引起固相发生相对运动，导致枝晶破碎或与从型壁脱落，在液相中形成大量的晶核，达到细化晶粒的目的。
16、铸造应力：铸件在凝固及冷却过程中，由于线收缩及固态相变会引起体积的收缩或膨胀，而这种变化往往受到外界的约束或铸件各部分之间的相互制约而不能自由地进行，于是在产生变形的同时还产生应力。
30、规则共晶合金：也称非小面--非小面共晶，多由金属--金属或金属--金属间化合物相组成，该类合金在结晶过程中，共晶两相均具有非小面生长的粗糙界面。
8、成分过冷：这种由溶质再分配导致界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷称为成分过冷.
9、枝晶间距：：枝晶间距指的是相邻同次分枝之间的垂直距离，实际上则用金相视野下测得的各相邻同次分枝之间距离的统计平均值来表示。是树枝晶组织细化程度的表征，枝晶间距越小，组织就越细密，分布于其间的元素偏析范围也就越小。
25、密度偏析：密度偏析，也称重力偏析，是液体和固体共存或者是相互不混合的液相之间存在着密度差时产生的化学成分不均匀现象，一般形成于金属凝固前或刚刚开始凝固时。
26、变质处理：变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。变质是通过改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。
1、黏度：是熔体在不同层面存在相对运动时才表现出来的一种物理性能，其本质反映的是质点间（原子间）结合力大小。
2、金属的遗传性：广义上说，金属的遗传性理解为在结构上（或在物性方面），由原始炉料通过熔体阶段向铸造合金的信息传递。具体体现在原始炉料通过熔体阶段对合金零件凝固组织、力学性能以及凝固缺陷的影响。
17、自然时效：是将具有残余应力的铸件放置在露天场地，经历较长时间（通常为几个月），使应力慢慢自然消失。
18、形核率：是指单位时间，单位体积液态金属中形成的晶核数，以N表示。形核率高意味着单位体积中晶核数目多，结晶结束后可以获得更细小的凝固组织，也能提高零件或式样的力学性能。
19、晕圈：由于两相在生核能力和生长速度上的差别，第二相环绕着领先相表面生长而形成一种镶边外围层的情况，此外围层称为“晕圈”。
10、领先相：指在熔体中率先析出，且能为第二相提供有效衬底，使第二相在其表面析出，从而确保共晶反应得以进行的那个相。
11、共生生长：形成具有共生界面的双相核心的过程是共生共晶的生核过程，两相彼此合作地一起向前生长。
12、离异生长：两相的析出在空间和时间上都是彼此分离的，这种非共生生长的共晶结晶方式。
13、结晶雨：凝固初期在液面处形成的晶粒或顶部凝固层脱落的分枝由于密度比液体大而下沉， 并且下沉过程中也可能发生枝晶的熔断和增 殖。这种现象称为“结晶雨”（大型铸锭凝固）。
14、孕育处理：是向液态金属中添加少量物质以实现细化晶粒、改善组织的一种工艺方法。从本质上说，孕（Inoculation）主要是影响形核过程和促进晶粒游离以细化晶粒。
3、半固态铸造：就是在其凝固过程中，对金属施加剧烈的搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，即改变初生固相的形核和长大过程，得到一种液态金属熔体中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固‐液混合浆料（即半固态浆料），然后利用此浆料进行成型的工艺。
4、充型能力：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。
27、热过冷：仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态。
28、界面平衡假设：在实际结晶过程中，溶质原子在固、液两相中的扩散速度有限，界面两侧固、液相在大范围内成分不可能均匀化，所以是一个非平衡过程（亚/介平衡状态）；
近似地认为，单相合金的晶体生长仅取决于热的传输和质的传递，而原子通过界面的阻力则小到可以忽略不计；
5、非均质形核：是指在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行形核的过程，也称为异质形核或非自发形核。
6、临界形核半径:
7、平衡分配系数：在给定的温度下，平衡固相溶质浓度与液相溶质浓度之比，k0=Cs*/Cl*;实质上是描述了在固、液两相共存的条件下，溶质原子在固-液界面两侧的平衡分配特征。
界面处固、液两相始终处于局部平衡状态之中；
适用条件：对速度缓慢的单晶体可控生长以及在一般凝固条件下具有粗糙界面结晶相的生长。
29、胞状生长：以胞状界面（胞状界面：在窄成分过冷区的作用下，不稳定的平坦就破裂成一种稳定的、由许多近似于旋转抛物面的凸出圆胞和网络状的凹陷沟槽所构成的新的界面形态。）向前推进的生长方式。