液态金属凝固中的传热、传质及也太流动剖析
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
液态金属的流动状态研究
液态金属的流动状态研究液态金属是一种非常特殊的物质，它具有高度的流动性和可塑性，同时还具有良好的导电和导热性能。
近年来，液态金属的研究逐渐成为了材料科学领域的热门话题之一。
液态金属的流动状态研究更是其中的重要一环，本文将介绍液态金属的流动状态研究及其应用。
液态金属的流动状态研究主要包括两方面内容：一是液态金属的流动规律研究，即液态金属在不同温度、压力等条件下的流动性质研究；二是液态金属在实际工程中的应用研究，即如何利用液态金属的流动性质来满足某些技术需求。
液态金属的流动规律研究中，研究人员通常会研究液态金属的粘度、表面张力、润湿性、热力学性质等指标。
其中，粘度是衡量液态金属流动性质的一个重要指标。
研究表明，液态金属的粘度与温度、合金成分、氧化物含量、外界应力等因素密切相关。
例如，当液态金属温度升高时，它的粘度通常会降低；当液态金属中进入氧化物等杂质时，它的粘度也会增大。
同时，研究人员还发现，在确定温度和合金成分不变的情况下，液态金属的粘度还可能与其含气量、搅拌强度等因素有关。
液态金属的表面张力也是其流动性质的一个重要指标。
表面张力可以影响液态金属在不同材料上的润湿性，从而影响其流动性。
在液态金属润湿性研究中，研究人员通常会采用接触角度法和涂层法等技术手段。
研究表明，液态金属的润湿性与其合金成分、表面平整度、温度、表面反应等因素有关。
在实际应用方面，液态金属的流动性质可以应用于多个领域。
例如，在电子设备制造中，液态金属的导电性能可以帮助制造出更加高效的电路；在汽车工业中，液态金属的可塑性可以帮助制造出更加轻便的汽车部件；在医疗器械制造中，液态金属的生物相容性可以帮助制造出更加安全的医疗器械。
总之，液态金属的流动状态研究是液态金属研究的重要组成部分。
液态金属的流动性质可以通过多种研究手段进行深入探究，并且可以应用于多个领域。
未来，我们期待液态金属的研究能够取得更加丰富和深度的进展。
液态金属凝固过程中的传热与传质
液态金属凝固过程中的传热与传质摘要：液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织。
本文介绍了液态金属凝固的原理，凝固过程中传热“一热、二迁、三传”的特点，以及凝固过程中的传质及其基本问题。
传热与传质的研究方法包括解析法、实验法、数值模拟法等。
我国许多研究者对凝固过程中的传热和传质问题进行了研究，高新技术方面热质传递现象的机理和特有规律是今后重点发展的研究领域。
关键词：金属凝固；传热和传质；界面；溶质再分配在金属的热态成形过程中，常常伴随着金属液的流动、气体的流动、金属件内部和它周围介质间的热量交换和物质转移现象，即动量传输、热量传输和质量传输现象。
液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织[1-2]。
因此，只有正确和深入研究金属凝固过程中的传输现象，才能有助于建立正确的凝固过程理论模型。
1 金属凝固过程的传热与传质1.1 金属凝固过程中的传热在凝固过程中，伴随着潜热的释放、液相与固相降温放出物理热，定向凝固时，还需外加热源使凝固过程以特定的方式进行，各种热流被及时导出，凝固才能维持。
宏观上讲，凝固方式和进程主要是由热流控制的。
金属凝固过程的传热特点可以简明的归结为“一热、二迁、三传”[3-5]。
“一热”即在凝固过程中热量的传输是第一重要的，它是金属凝固过程能否进行的驱动力。
凝固过程首先是从液体金属传出热量开始的。
高温的液体金属浇入温度较低的铸型时，金属所含的热量通过液体金属、已凝固的固体金属、金属-铸型的界面和铸型的热阻而传出。
凝固是一个有热源非稳态传热过程。
“二迁”指在金属凝固时存在着两个界面，即固相-液相间界面和金属-铸型间界面，这两个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使得界面上的传热现象变得极为复杂。
图1为纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意，由图可见在凝固过程中随着固相-液相间界面向液相区域迁移，液态金属逐步变为固态，并在凝固前沿释放出凝固潜热，并随着凝固进程而非线性地变化。
液态金属的传热与凝固方式
高温合金的制备、加工及 性能分析
高温合金的制备、加工和性能分 析对工业领域具有重要意义。
液态金属的传热与凝固方 式
物理性质和结构
了解液态金属的物理性质和结构 对传热和凝固方式至关重要。
熔融金属的传热机制
对流传热
研究熔融金属的传热机制有助于 优化液态金属应用的效率和品质。
了解液态金属中的对流传热过程 可以提高传热效率及优化设计。
辐射传热
辐射传热是液态金属传热中 的一个重要机制，它率和温度梯度是影响 液态金属凝固结果的重要因 素。
界面反应
界面反应对液态金属凝固过 程中的相变和组织形成起着 重要作用。
元素分布与相变
研究液态金属中元素分布和 相变对优化材料制备和性能 提升具有重要意义。
1
熔融金属的凝固过程模拟
利用模拟方法可以更好地理解和预测液
经典的凝固模型
热传递模型的建立
建立合适的热传递模型可以 帮助我们更好地理解液态金 属的传热机制。
熔融金属的凝固方式
了解不同的凝固方式有助于 控制液态金属的晶化结构及 获得理想的性能。
1
形核生长
理解形核生长是液态金属凝固过程中的
等分凝固
2
一个关键环节。
了解等分凝固对于合金制备和材料性能
具有重要意义。
3
晶粒生长
晶粒生长是液态金属凝固过程中的一个 关键步骤，影响材料的组织和性能。
2
态金属的凝固过程。
经典的凝固模型为液态金属凝固提供了
重要的指导和理论依据。
3
多相流动模型
多相流动模型能够更精确地描述液态金 属凝固过程的复杂性。
制备过程中液态金属的晶 化控制
控制液态金属的晶化是制备高性 能金属材料的关键步骤。
凝固原理讲义-凝固过程中的流动-
溶质边界层
28
旋转圆盘下的浓度边界层厚度为
dc 1.61D1/3 1/61/ 2
D为溶质扩散系数，为运动粘滞系数, 为旋转圆盘的转速
温度边界层
29
T z
(Tb
Tm ) / dT
热扩散传热
dT 1/ 2
主要对流传热
温度边界层
30
晶体旋转对流体中的速度边界层、溶质边界层和温度边界层
36
两板之间的液体产生自然对流, 对流的速度vx分布曲线为正弦波形
作用于液体单元上的粘滞力示意图
作用于单元底面积上的剪切力
液态金属中自然对流的驱动力
37
液体单元上的粘滞力为:
y
dy
dxdz
dxdz
y
dxdydz
单位体积上的粘滞力为:
F粘
y
另外，根据牛顿粘滞定律
vx
y
F粘
y
vx y
2vx y 2
设在一个长度为L的圆柱体内,有很多半径为R的微小孔道, 每个小孔道是直而光滑的,我们关注的是每个管道内的流速大小
枝晶间液态金属的流动
43
每个圆管中的横截面上任一点的轴向切应力可以表示为以下两种形式:
r
vx r
黏度系数,沿管道轴向上的流动速度
r
p0 pL L
r 2
进,出口处的压力, 管道长度,指定点的半径
联立以上两式得
44
dvx
p0 pL
2L
rdr
积分,得
vx
p0 pL
4L
r 2
C
边界条件, r R时，vx 0,
当r=0时,
得
C
p0 pL
液态金属的传热与凝固方式
本文深入讨论液态金属的传热和凝固方式，探索其原理，影响因素，传热方 式，凝固过程，以及对传热性能的影响。同时，探索液态金属传热与凝固在 现实应用领域中的实践意义。
液态金属的传热原理
液态金属的传热原理是基于热传导机制，其中，热量通过金属中的自由电子 传播。这种电子传导机制使液态金属具有出色的导热性能。
液态金属的凝固过程
液态金属的凝固过程是指金属从液态向固态的相变过程。这个过程是由温度 和时间共同作用下的原子重新排列所导致。
凝固式对传热性能的影响
不同的凝固方式会对液态金属的传热性能产生不同影响，包括凝固结构的有 序性、晶粒尺寸和形态等。理解这些影响可以更好地优化传热性能。
液态金属传热与凝固的应用领域
液态金属传热的影响因素
液态金属传热的影响因素包括金属的物理特性、温度差、传热介质等。理解 这些因素对传热效果的影响能够优化液态金属的传热性能。
液态金属的传热方式
液态金属的传热方式包括对流传热、辐射传热和传热管传热等。不同的传热方式在不同的情况下有不同 的适用性和效果。了解这些方式可以为液态金属传热的设计和应用提供指导。
液态金属传热与凝固在众多领域都有广泛应用，包括航天、工业制造、能源等。这些应用为我们提供了 更高效、更可靠的传热技术。
结论和实践意义
深入理解液态金属的传热与凝固方式对于优化传热性能、改进工艺以及实现创新应用具有重要意义。这 将不仅推动液态金属传热技术的发展，也助力相关领域的进步与创新。
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：
【材料成型原理--铸造】第4章 液态金属凝固过程中的传热与传质
• 2、模型建立
• 温度TL时，开始凝固： • 固 度k相0C：0。百分数dfS；溶质浓
• 液相：溶质浓度几乎不变， 为C0。 • 温度降到T*时，
• 固 数f相S；：溶质浓度C*S；百分
•
液相：溶质浓 数fL。
度
C*L；百
分
28/33
• 当dfSf）S界，溶面这质处些浓固溶度相质增增将加加均d百C匀*L分扩，量散则为到：d整fS个时液，相排中出，溶使质剩量余为液（相C*（L-C1*S-） • （C*L-C*S）dfS=（1-fS）dC*L
30/33
31/33
32/33
33/33
34/33
35/33
• （二）固相无扩散，液相只有有限扩散（无对流或搅拌） 的溶质再分配
• 1、假设： • （1）合金单相凝固； • （2）固相无扩散（接近实际情况）； • （3）液相有限扩散（无对流、搅拌）； • （4）固液相线为直线，k0为常数； • （5）试样很长，单向放热，平面推进。
• 该两式为平衡凝固时溶质再分配的数学模型。
19/33
CS
1
C0k0 f S (1 k0 )
CL
k0
C0 f L (1 k0 )
• 3、验证 （1）开始凝固时 • 初始条件：fS0，fL1 • 则：CS=k0C0；CL=C0 （2）凝固结束时 • 初始条件：fS1，fL0 • 则：CS=C0；CL=C0/k0
凝固时间与凝固层厚度的平方成正比。
计算结果与实际接近。
适合大平板和结晶间隔小的铸件。
14/33
• 3、“折算厚度”法则
R2 t
K2
R V1 为铸件折算厚度或铸件模数。
A1
液态金属凝固过程中的传热与传质
液态金属凝固过程中的传热与传质摘要：液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长，从而影响凝固组织。
本文介绍了液态金属凝固的原理，凝固过程中传热“一热、二迁、三传”的特点，以及凝固过程中的传质及其基本问题。
传热与传质的研究方法包括解析法、实验法、数值模拟法等。
我国许多研究者对凝固过程中的传热和传质问题进行了研究，高新技术方面热质传递现象的机理和特有规律是今后重点发展的研究领域。
会形成一个间隙（也称气隙），因此这里的传热不知是一种简单的传导，而是同时存在微观的对流和辐射传热。
“三传”即金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维传热物理过程。
在热量传输过程中也同时存在有导热、对流和辐射换热三种传热方式。
一个从宏观上看是一维传热的单向凝固的金属，由于凝固过程中的界面现象使传热过程在微观变得非常复杂。
当固/液界面是凹凸不平或生长为枝晶状时，在这个凝固前沿上，热总是垂直于这些界面的不同方位从液相传入固相，因而发生微观的三维传热现象。
在金属和铸型界面上的传热也不只是一种简单的传导，而是同时存在微观的对流和辐射传热。
图1 纯金属在铸型中凝固时的传热模型K-导热，C-对流，R-辐射，N-牛顿界面换热1.2金属凝固过程中的传质金属液凝固时出现的固相成分常与液相成分不同，引起固相、液相内成分分布的不均匀，于是在金属凝固时固相层增厚的同时出现了组分的迁移过程，即传质。
凝固过程的溶质传输决定着凝固组织中的成分分布，并影响到凝固组织结构。
金属的凝固过程，其传质问题直接和金属的凝固方式相关联，主要研究几种基本传质问题：①金属凝固过程中整个凝固体系内溶质的变化；②金属以平界面方式凝固时凝固过程的溶质变化；③金属以枝晶方式凝固时凝固过程的溶质变化。
平界面凝固过程中的传质与溶质再分配是最基本的传质问题，对许多复杂传质问题的研究是在此基础上进行的。
主要包括：（1）平衡凝固条件下的溶质再分配；（2）固相无扩散而液相均匀混合的溶质再分配；（3）固相无扩散，液相中有扩散而无对流的溶质再分配；（4）液相中部分混合（对流）的溶质再分配。
液态金属的传热与凝固方式
第五章 液态金属的传热与凝固方式1. 试分析铸件在金属型，砂型，保温型中凝固时的传热过程，并讨论在上述几种情况影响传热的限制性环节及温度场的特点。
答： （1）砂型：2λ 远小于1λ ，铸件冷却缓慢断面上的温差很小，而铸型内表面被铸件加热到很高的温度，而外表面仍处于较低的温度。
砂型本身的热物理性质是主要因素（限制环节）。
（2）金属型：a.铸件较厚，涂料较厚。
铸件的冷却和铸型的加热都不十分激烈，大部分温度降在中间层，而铸型和铸件上温度分布均匀。
传热过程主要取决于涂料层的热物理性质。
b.当涂料层很厚时，铸件的冷却和铸型的加热都很激烈，有明显的温度梯度界面热量很小，可忽略。
传热过程取决于铸件、铸型的热物理性质。
（3）保温型：与砂型情况类似，只是铸型比铸件的冷却更缓慢，铸型界面处温度梯度较大，而外部温度低（接近金属型后涂料）。
2.试应用凝固动态曲线分析铸件的凝固特征，根据铸件的动态凝固曲线能否判断其停止流动的过程。
答：①某一时刻的各区宽度，L 、L+S 、S 、L+S 宽度分别为，逐层、体积、中间凝固方式。
②结壳早晚：停止流动的过程：两线重合或垂直距离小，流动管道中晶体长大阻塞而停止流动。
两线垂直距离大，液体中析出晶体较多，连成网络而阻塞。
两线垂直中等，管道壁有一部分柱状晶，中心有等轴晶，使剩余的液体停止流动。
3. 试证明铁在熔点浇入铝制容器中，铝型内表明不会熔化。
已知：铁液熔点t 10=1539℃ λ1=23.26()k m w ⋅，k kg J C ⋅=9211，31kg 6900m =ρ铝液熔点660℃，λ2=23.26()k m w ⋅，k kg J C ⋅=9212，3kg6900m =ρ，t 20=20℃。
解：起始边界温度t F21202101b b t b t b t F ++=()()cc t p c b p c b 00F 2222111166064.642k 64.9152.174549.121572092732.1745427315399.121572.17459.12157<==+⨯++⨯=====λλ不会熔化。
第章液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动摘要
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3、影响铸件温度场的因素 （1）金属性质的影响 1）金属的导热系数
铸件凝固时表面的温度比中心要低。金属的导热系数大， 铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度梯度就小，即断 面上的温度分布较平坦。
2）结晶潜热
金属的结晶潜热大，向铸型传热的时间长，铸型内表面被 加热的温度也越高，因此铸件断面上的温度梯度较小，铸 件冷却速度下降，温度场分布较平坦。
2）铸型的预热温度
铸型预热温度越高，对铸件的冷却作用就越小， 铸件断面上的温度梯度也就越小。
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（3）浇注条件的影响 过热热量加热了铸型，所以过热度越大，相当于
铸型预热温度越高。铸件内的温度场越平坦。
（4）铸件结构的影响 1）铸件的壁厚 厚壁铸件比薄壁铸件含有更多的热量，当凝固层
S
TL
T
TS
S S+L S
逐层凝固
糊状凝固
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中间凝固
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凝固时各区域组成：（1）固相区：全部固体 （2）凝固区：液体+固体 （3）液相区：全部液体
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金属或合金凝固分区示意图
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1）逐层凝固方式
纯金属、共晶合 金或结晶温度范围很 小的合金，铸件断面 温度梯度很大，导致 铸件凝固区很小或没 有。这种凝固方式叫 逐层凝固方式。
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2）体积凝固方式
合金结晶温度 范围大或铸件断面 温度梯度小，铸件 凝固范围很大。这 种凝固方式叫体积 凝固方式。
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3）中间凝固方式
铸件凝固范围介于逐层凝固方式和体积 凝固方式之间。这种凝固方式叫中间凝 固方式。
液体金属处理中的传热传质研究
液体金属处理中的传热传质研究摘要液体金属处理是金属材料加工和制造的重要工艺之一，其熔融状态下的物理和化学性质具有独特性，但其特殊的性质也带来了复杂的传热和传质过程。
本文对液体金属处理过程中的传热传质研究进行了综述，包括自然对流、强迫对流、辐射传热、多相传热、相变传热以及传质过程等方面，阐述了各种传热传质模型和相应的研究方法，为液体金属处理过程的优化提供了理论依据。
关键词：液体金属处理、传热传质、传热模型、传质模型、优化第一章绪论液体金属处理是指把金属在高温下熔融，进行浇注、铸造、锻造、轧制、挤压、拉伸等多种加工方法的工艺。
在液体金属处理过程中，热量的传递和物质的传输是必不可少的环节，因此传热传质研究是液体金属处理技术的基础之一。
传热传质研究不仅能够改善液体金属处理的工艺技术，还有助于提高加工工件的质量和生产效率。
第二章传热传质模型传热传质模型是对液体金属处理过程中热量和物质传递现象的描述和分析。
液体金属的传热传质过程复杂多样，存在自然对流、强迫对流、辐射传热、多相传热、相变传热等多种传热传质方式。
2.1 自然对流传热模型自然对流是指在温度差的作用下，由于热量的不均匀分布而形成的一种流动状态。
液体金属处理中的自然对流，通常伴随着温度场的非线性变化和较强的非线性耦合。
自然对流传热模型建立的核心是流体运动的动量传递方程和热传递方程。
2.2 强迫对流传热模型强迫对流是指机械或热力学作用下引起的流体运动。
液体金属处理中的强迫对流主要有气流或液流对液体金属表面的冷却、加热和搅拌等作用。
强迫对流传热模型建立的核心是Navier-Stokes方程和能量方程。
2.3 辐射传热模型辐射传热是指热量通过辐射作用而传递的物理过程。
液体金属处理过程中的辐射传热，实际上是由液体金属产生的热量向周围空气和固体传递的过程。
辐射传热模型的建立需要涉及真实物理场的射线互相作用方程和辐射传热方程。
2.4 多相传热模型多相传热是指液体金属处理过程中含有两种或两种以上的相的传热现象。
4 凝固过程的液体金属流动和传热.ppt
本章要点:主要讨论凝固过程的液体金属流动和金属的凝固传热特点固传热特点，，包括包括：：4 凝固过程的液体金属流动和传热1(1) 枝晶间金属流动的速度方程枝晶间金属流动的速度方程；；(2) 铸锭凝固传热的微分方程及由此确定影响传热的主要因素传热的主要因素。
(3) 三种凝固方式(顺序凝固顺序凝固、、同时凝固同时凝固、、中间凝固)的区别及对应的控制方法在浇筑和凝固过程中在浇筑和凝固过程中，，液体金属时刻在流动 包括对流和枝晶间的黏性流动液体金属流动是一种动量传输过程液体金属流动是一种动量传输过程，，是铸锭成型是铸锭成型、、传热传热、、传质的必要条件浇筑和凝固过程中的特性1 凝固过程液体金属的流动是一种动量传输过程是一种动量传输过程。
浇注时流柱冲击引起的动量对流动量对流。
金属液内温度和浓度不均引起的1.1 液体金属的对流对流成因：3自然对流自然对流。
电磁场或机械搅拌及振动引起的强制对流。
对于连续铸锭对于连续铸锭，，由于浇注和凝固同时进行由于浇注和凝固同时进行，，动量对流会连续不断地影响金属液的凝固过程属液的凝固过程，，如不采取适当措施均布液流不采取适当措施均布液流，，过热金属液就会冲入液穴的下部。
动量对流强烈时动量对流强烈时，，易卷入大量气体易卷入大量气体，，增加金属的二次氧化增加金属的二次氧化，，不利于夹渣的上浮，应尽量避免应尽量避免。
立式半连续铸锭过程中立式半连续铸锭过程中，，在金属液面下垂直导入液流时在金属液面下垂直导入液流时，，其落点周围会形成一个循环流动的区域成一个循环流动的区域，，称为涡流区。
特征是在落点中心产生向下的流股的流股，，在落点周围则引起一向上的流股的流股，，从而造成上下循环的轴向循环对流。
流注冲击引起的对流4影响流注穿透深度因素影响流注穿透深度因素：： 浇筑速度 浇筑温度流注在液穴中的穿透深度：沿液穴轴向对流往下延伸的距离 流注落下高度 结晶器尺寸注管直径流注穿透深度随其下落高度的增加而减小流注下落高度增加，其散乱程度增大，卷入的气体多，气泡浮力对流注的阻碍作用增强浇筑速度增大浇筑速度增大，，流注穿透深度增加结晶器断面尺寸减小结晶器断面尺寸减小，，气泡上浮区域减小气泡上浮区域减小，，存留在流注点下方气泡数量相应增加量相应增加，，对流注阻碍作用增强对流注阻碍作用增强，，流注穿透深度减小结晶器断面尺寸减小结晶器断面尺寸减小，，流注落点周围的涡流增强流注落点周围的涡流增强，，流注轴向速度降低流注轴向速度降低，，穿透深度减小6轴向循环对流轴向循环对流，，还会引起结晶器内金属液面产生水平对流，其方向决定着夹渣的聚集地点其方向决定着夹渣的聚集地点。
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。
金属材料液态成型原理(2-液态金属的流动与传热)
它可直接从已有的导热方程及其边界条件来得到差分方程；
也可以在物体内部任取一单元，通过建立该单元的能量平衡 来得到差分方程。
基本思想
求解物体内温度随空间、时间连续分布的问题，转化为空间 领域与时间领域的有限个离散点上求温度值的问题，并进而 用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布
较薄的铸件在工作表面涂有 涂料的金属型中铸造;
传热过程取决于涂料层的热 物理性质
2.1.3不同界面热阻条件下温度场的特点
厚壁金属型中的凝固
较薄的铸件在工作表面涂有 涂料的金属型中铸造时;
金属-铸型界面的热阻相对很 小，可忽略不计;
可以认为，厚壁金属型中的 凝固传热为两个相连接的半 无限大物体的传热，整个系 统的传热过程取决于铸件和 铸型的热物理性质
2.1.3不同界面热阻条件下温度场的特点
水冷金属型中的凝固
凝固传热的主要热阻是凝 固金属的热阻，铸件中有 较大的温度梯度
2.1.4 动态凝固曲线
温度场测定
2.1.4 动态凝固曲线
温度场曲线绘制
2.1.4 动态凝固曲线
动态凝固曲线绘制
液相边界 固相边界
2.1.5 金属的凝固特性
2.1.1 导热的基本方程及求解
2.1.1 导热的基本方程及求解
即得一维半无限大条件下铸型和铸件的温度场的数 学解析解
2.1.1 导热的基本方程及求解
2.1.1 导热的基本方程及求解
凝固潜热的处理
2.1.1 导热的基本方程及求解
2.1.2 温度场的数值计算
有限差分法（Finite Difference Method，简称FDM）
2.1.1 导热的基本方程及求解
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。
【材料成型原理】6 凝固过程的流体流动
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、凝固过程的流动 7、凝固金属的组织结构 8、凝固过程的缺陷和对策12液体流动的分类和影响z 凝固过程中的液体流动主要包括： 自然对流 强迫对流z 对凝固过程的影响： 传热和传质过程 气泡和夹杂物的行为 流动性好，铸件轮廓清晰、形状完整，利于补缩、热裂纹愈合。
凝固组织3第一节 凝固过程的流动 第二节 液态合金的充型能力4一、自然对流 凝固过程自然对流包括浮力流和凝固收缩引起的 流动。
浮力流是最基本、最普遍的对流方式。
因为溶质再分 配、传热、传质引起液相密度不均匀造成的。
其中密 度小的液相发生上浮；密度大的液相发生下沉，引起 自然对流。
凝固收缩引起的对流主要发生在枝晶间。
5凝固过程中铸锭内的对流浮力流：溶质密度较小时收缩流：Al-10%Cu 合金凝固枝晶间的疏松6二、强迫对流 凝固过程中，可通过各种方式驱动液体流动。
对凝固组 织形态及传热、传质条件进行控制。
控制的流动方式通常是与一定的凝固技术有关。
强迫对流举例：z 液相的机械搅拌 z 电磁场搅拌驱动液体流动 z 凝固过程的铸型振动7三、流动对凝固组织的影响 A.枝晶迎流生长 B.通道偏析。
凝固时间长的大型铸件，如大型轴易出现。
C.枝晶脱落，脱落→核→ 等轴晶。
8第二节 液态合金的充型能力一、充型能力的基本概念 二、影响充型能力的因素 三、铸造流动性的测量9一、液态金属充型能力z 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，是设计浇注系统的重要 依据之一。
z 充型能力弱，则可能产生浇不 足、冷隔、砂眼、铁豆，以及 卷入性气孔、夹砂等缺陷。
10例：“浇不足”缺陷-流动性不良11第二节液态合金的充型能力一、充型能力的基本概念二、影响充型能力的因素三、铸造流动性的测量13二、影响充型能力的因素1. 金属性质方面的因素2. 铸型性质方面的因素3.浇注条件方面的因素4.铸件方面的因素1415纯金属、共晶成分合金及结晶温度宽结晶温度合金停止很窄的合金停止流动机理示意图流动机理示意图前端析出15~20％的固相量时，流动就停止。
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Q1=Q2
t
1
V1
L [
C1 (T浇
TS
) ]
2 b2 A1
Ti T20
（2）经验计算法——平方根定律
q1 1[L c1(T 浇TS )] 为凝固厚度
q1=q2
2b2 (Ti T20 )
t
1[L C1(T浇 TS )]
2
t K2
铸件温度场及凝固时间的精确计算——计算机数值模拟
（3）折算厚度法则
无限长圆棒试样 测温及结果处理
c.铸件的两种凝固方式
图4－3 合金成分和温度梯度对凝固方式的影响 a)、b)为层状凝固，c)、d)为体积凝固 影响因素:(1）化学成分
（2）温度梯度
层状凝固过程 层状凝固缩孔特点
体积凝固过程 体积凝固方式的缩松
3、铸件凝固时间计算
——与铸件厚度及温度场（凝固速度）相关
• 如果液相容积很大，则扩散层以外液相中的溶质浓度
•
CL 接近合金原始 C0 。
• 扩散层δ内溶质扩散场可用下式描述:
DL
d 2CL dx'2
v
dCL dx'
0
通解CL
A
B exp(
v DL
x)
•将边界条件代入，得到：
A
CL*
1
CL* C0
exp(
v DL
)
B
C* L
C0
1
exp(
v DL
)
• 界面前液相内溶质浓度分布方程
半固态微观组织形成模型及
过程数值模拟 标题
半固态晶粒生长过程
a.搅拌因素
b.冷却因素
fi VS /Vg (RS /Rg)3 (0<fi <1)
晶粒形状因子fi
搅拌状态下的溶质分布
晶粒形态方程
df s a d C df g dCL
R
fi e DL
2DL
v
2R
fi e v
R为晶粒生长速度（取决于冷却条件） V为液体对流速度（取决于搅拌速度）
（1）传热过程及凝固过程
（2）传热分析方法
◎解析法： 假设条件
T 2T
t x2
通解
T c Derf ( x )
2 t
对铸件：边界条件
初始条件
对铸型：边界条件
初始条件
x
T1
Ti
(Ti
T10 )erf
( 2
)
1t
T2
Ti
(T20
Ti )erf
( 2
x)
2t
◎测温法 a.温度场测量 b.凝固动态曲线
（a）凝固开始 （b）在温度T时凝固 （c）凝固结束 （d）相图
二、近平衡凝固时的溶质再分配 1、固相无扩散，液相均匀混合
(CL*
C* S
)df
S
(1
fS )dCL*
C* L
C* S
k0
dCS* (1 k0 )dfS
C* S
1 fS
ln
C* S
(1(k0-k10)) ln(1
fS )
ln
C
液态金属凝固中的传热、传质 及液体流动
Chapter 4 Transport phenomena in solidification
§4-1 凝固过程中的传热
1、凝固传热的控制方程
以热传导为主：
T (2T 2T 2T ) t c x2 y2 z2
T = f（x，y，z，t）
a c
2、铸件凝固温度场
• •
CL
CL
1
1
exp(
v DL
x)
C* L
CL
Байду номын сангаас
1
exp(
v DL
)
•
x 0处：CS* k0CL*
C* L
k0
(1
C0 k0 )exp(
v DL
)
C* S
k0
(1
k0 C0 k0 )exp(
v DL
)
搅拌对流愈强： 生长速度愈大：
§4-3 凝固过程中的液体流动
自然对流：
强迫对流：
1、液相区的液体流动 （1）稳态温度场下的温差对流和
fi
e
2R v
R为晶粒生长速度（取决于冷却条件） V为液体对流速度（取决于搅拌速度）
R 8m s 1 v 80m s 1 、条件下的凝固过程
CL
C* L
(CL*
C0
)
1 1
exp( exp(
v DL
v DL
x)
)
• 上式两边同减C0，得到
CL
C0
1
1
exp(
v DL
x)
C* L
C0
1
exp(
v DL
)
• 如果液相容积有限，则溶质富集层δ以外的液相成 分，在凝固过程中将不再维持原始合金成分C0值不变 而是逐渐提高。
• 用 CL表示溶质富集层δ以外的液相平均溶质浓度，则
系数， v为界面推进速度。结合边界条件有通解和特
解分别为：
CL
A
B exp(
v DL
x)
•
CL
C0
1
1 K0 K0
exp
v DL
x'
（**）
• DL / v 称 作 “ 特 性 距 离 ” ， 在 此 处 CL-C0 是 最 大 值 （C0/K0-C0）的1/e。
3、固相无扩散，液相有对流
V1、A1的铸件，折算厚度（或铸件模数）R=V1/A1
t R2 K2
K为凝固系数。
4、焊接温度场
准稳定温度场的概念
图4－4 “厚板”表面运动点热源的温度场
图4－5 薄板焊接时的温度场分布
图4-6 焊接工艺参 数对温度场的影响
图4-7 热导率对温度场分布的影响 a)低碳钢 b)奥氏体钢 c)铝 d)铜
C* S
k0C0 (1
f )k0 1 S
C C f *
k0 1
L
0L
2、固相无扩散，液相只有有限扩散而无对流
起始瞬态
稳定态
CS
C0[1 (1
k0
)
exp(
k 0v DL
x')]
终止瞬态
• 凝固进入稳定状态时，
DL
d 2CL dx'2
v dCL dx'
0
• 式中 x' 为离开界面的距离，DL为溶质在液相中的扩散
溶质浓度差对流
控制方程：
Re
GT
1 12
(
3
)
GT
2 0
gl
3T
2
GC
2 0
gl
3C
2
（2）非稳态温度场下的温差对流和溶质浓度差对流
（3）对流对凝固组织的影响：偏析，晶粒繁殖，改变晶粒形态 *透明有机物凝固观察：
*半固态组织演变——对流使枝晶向玫瑰形、球形转变 我们的研究成果（发表在国际权威刊物：Acta Materialia, 52 (2004) 3519–3524 )
（1）理论计算 铸型吸收的热量＝铸件放出的热量
[ T2 x
]x0
(T20
Ti )
1
2t
q2 2 (Ti T20 ) b2 (Ti T20 )
t
2t
t
q2
2b2
(Ti
T20 )
t
Q2
2 Ab2
(Ti
T20 )
t
同一时间内铸件放出的热量（包括潜热—等效比热法）
Q1 V11[L c1(T 浇TS )]
§4-2 凝固过程中的传质
传质控制方程：
菲克第一定律：
jA
D
d A
dz
D
dwA dz
JA
D
dcA dz
Dc dxA dz
菲克第二定律：
A
t
D2 A
cA t
D 2 c A
一、平衡凝固时溶质再分配
CS
1
C0k0 fS (1 k0 )
CL
k0
C0 fL (1 k0 )
图 平衡凝固条件下溶质再分配示意图