金属凝固原理课件
合集下载
金属凝固原理——形核
得临界晶核半径 r*：
r 2SLVS 2SLVs Tm
GV
Hm T
形核功：G 136S 3L V H Sm T mT2
r* 与ΔT 成反比，即过冷度ΔT 越大，r* 越小； ΔG*与ΔT2成反比，过冷度ΔT 越大，ΔG* 越小。
精选版课件ppt
12
临界晶核的表面能为：
A S L 4(r )2 S L 16 S 3 L V H S m T m T 2
基本热力学条件（必要条件） 大量形核的过冷度（ T *） 是完成形核过程的充分条件。
精选版课件ppt
8
§3-2 均质形核
• 均质形核 ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而 从液相自身发生形核的过程，所以也称“自发形核” （实际生产中均质形核是不太可能的，即使是在区域精炼 的条件下，每1cm3的液相中也有约106个边长为103个原 子的立方体的微小杂质颗粒）。
第3章作业：
1.均质形核和异质形核的临界晶核半径都
是
2LS Vs Tm
Hm T
，两者区别何在？异质形核与
均质形核相比，其特点是什么？
2.界面共格对应原则的实质是什么？举例说
明此原则的应用。
精选版课件ppt
32
精选版课件ppt
30
三、异质形核动力学
用异质形核的形核率 I **来描述： I**cexpGAK G* Tf()
· I**I* （ T相同时）
· 对同一形核衬底（ 相同），
T越大，I **也越大。
· 不同形核衬底， 越小，T*越* 小
· 当T很大时，I * 和 I **反而越小
精选版课件ppt
31
精选版课件ppt
22
进一步研究细化后引入界面共格对应原则：
r 2SLVS 2SLVs Tm
GV
Hm T
形核功：G 136S 3L V H Sm T mT2
r* 与ΔT 成反比，即过冷度ΔT 越大，r* 越小； ΔG*与ΔT2成反比，过冷度ΔT 越大，ΔG* 越小。
精选版课件ppt
12
临界晶核的表面能为：
A S L 4(r )2 S L 16 S 3 L V H S m T m T 2
基本热力学条件（必要条件） 大量形核的过冷度（ T *） 是完成形核过程的充分条件。
精选版课件ppt
8
§3-2 均质形核
• 均质形核 ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而 从液相自身发生形核的过程，所以也称“自发形核” （实际生产中均质形核是不太可能的，即使是在区域精炼 的条件下，每1cm3的液相中也有约106个边长为103个原 子的立方体的微小杂质颗粒）。
第3章作业：
1.均质形核和异质形核的临界晶核半径都
是
2LS Vs Tm
Hm T
，两者区别何在？异质形核与
均质形核相比，其特点是什么？
2.界面共格对应原则的实质是什么？举例说
明此原则的应用。
精选版课件ppt
32
精选版课件ppt
30
三、异质形核动力学
用异质形核的形核率 I **来描述： I**cexpGAK G* Tf()
· I**I* （ T相同时）
· 对同一形核衬底（ 相同），
T越大，I **也越大。
· 不同形核衬底， 越小，T*越* 小
· 当T很大时，I * 和 I **反而越小
精选版课件ppt
31
精选版课件ppt
22
进一步研究细化后引入界面共格对应原则：
第三章 纯金属的凝固 材料科学基础课件
G V G V A a 3 G V 6 a 2
例题：设晶核为半径为r的球形，晶体元素的相对原子质量为A，
密度为ρ，阿伏加得常数为NA， 求临界晶核中所含原子数n* 的表达式（已知单位体积吉布斯自由能为△Gv ，单位面积表 面能为σ )
3.3.2.1 非均匀形核的形核功 模型：外来物质为一平面，固 相晶胚为一球冠
金属和某些低熔化熵的有机化合物，a≤2时，其液一固界面 为粗糙界面；多数无机化合物，以及亚金属铋、锑、镓、砷 和半导体锗、硅等，当a＞2时，其液一固界面为光滑界面。 但以上的预测不适用于高分子，由于它们具有长链分子结构 的特点，其固相结构不同于上述的原子模型。
3.4.3 晶体长大的机制
晶体长大机制：液态原子向固相表面 的添加方式。 与固-液界面结构有关
3.4.1 晶体长大的条件
•晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界面 向液体中推移的过程。 •平衡状态：(dN/dT)M=(dN/dT)F
温度对熔化和凝固速度的影响
Ti
•动态过冷：晶核长大所需的 界面过冷度。（远小于形核 所需过冷度） •晶核长大条件：动态过冷、 合适的晶核表面结构
3.4.2 液-固界面的微观结构
液-固界面始终保持平直的表面 向液相中长大，长大中的晶体 也一直保持规则的形态。 条件：正温度梯度，粗糙界面 结构的晶体为主
3.4.4.2 平面状长大形态 3.4.4.3 树枝状长大形态 液-固界面不断分支发展
条件：负温度梯度 特点：有方向性，取决于晶体结构
枝臂间距：邻近的两根二次轴中心线之间的距离。 冷却速度大，枝臂间距小，强度、塑性好
3.4.4.1 液-固界面前沿液相中的温度梯度
•正温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越高。平面状 •负温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越低。树枝状
例题：设晶核为半径为r的球形，晶体元素的相对原子质量为A，
密度为ρ，阿伏加得常数为NA， 求临界晶核中所含原子数n* 的表达式（已知单位体积吉布斯自由能为△Gv ，单位面积表 面能为σ )
3.3.2.1 非均匀形核的形核功 模型：外来物质为一平面，固 相晶胚为一球冠
金属和某些低熔化熵的有机化合物，a≤2时，其液一固界面 为粗糙界面；多数无机化合物，以及亚金属铋、锑、镓、砷 和半导体锗、硅等，当a＞2时，其液一固界面为光滑界面。 但以上的预测不适用于高分子，由于它们具有长链分子结构 的特点，其固相结构不同于上述的原子模型。
3.4.3 晶体长大的机制
晶体长大机制：液态原子向固相表面 的添加方式。 与固-液界面结构有关
3.4.1 晶体长大的条件
•晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界面 向液体中推移的过程。 •平衡状态：(dN/dT)M=(dN/dT)F
温度对熔化和凝固速度的影响
Ti
•动态过冷：晶核长大所需的 界面过冷度。（远小于形核 所需过冷度） •晶核长大条件：动态过冷、 合适的晶核表面结构
3.4.2 液-固界面的微观结构
液-固界面始终保持平直的表面 向液相中长大，长大中的晶体 也一直保持规则的形态。 条件：正温度梯度，粗糙界面 结构的晶体为主
3.4.4.2 平面状长大形态 3.4.4.3 树枝状长大形态 液-固界面不断分支发展
条件：负温度梯度 特点：有方向性，取决于晶体结构
枝臂间距：邻近的两根二次轴中心线之间的距离。 冷却速度大，枝臂间距小，强度、塑性好
3.4.4.1 液-固界面前沿液相中的温度梯度
•正温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越高。平面状 •负温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越低。树枝状
《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。
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。
材料加工原理第4章液态金属的凝固PPT课件
15
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
θ '＞ θ "
比均质形核时体积小得多。所以， Δ T * " I h e " I h e '
Iho
液体中晶坯附在适当的基底界面 I
Δ T *'
上形核，体积比均质临界核体积
ΔT *
小得多时，便可达到临界曲率半
径，因此在较小的过冷度下就可 以得到较高的形核率。
核过程，亦称“异质形核”或“非自发形核”。
8
（一）形核功及临界半径
晶核形成时，系统自由能变化由两 部分组成，即作为相变驱动力的液固体积自由能之差（负）和阻碍相 变的液-固界面能（正）：
G V ( G V)ASL
G3 4r3G V4r2SL
r＜ r*时，r↑→ΔG↑ r = r*处时，ΔG达到最大值ΔG* r ＞r*时，r↑→ΔG↓
25
粗糙界面与光 滑界面是在原子 尺度上的界面差 别，注意要与凝 固过程中固－液 界面形态差别相 区别，后者尺度 在μm 数量级。
26
（三）晶体微观长大方式和长大速率
晶体长大也需要一定的过冷度。长大所需的界面过冷度称为
动态过冷度，用∆Tk表示。具有光滑界面的物质，其∆Tk约为 1~2℃。具有粗糙界面的物质，∆Tk仅为0.01~0.05℃。这说明， 不同结构类型的界面，具有不同的长大方式。
粗糙界面连续长大：
V1 =K1·∆T
光滑界面螺旋长大：
V3 K3T2
光滑界面二维晶核长大：
V2K2eBT
第三章 凝固热力学与动力学
31
常见控制形核方法
增大冷却速率，在大的过冷度下形核； 利用浇注过程的液流冲击造成型壁上形成的晶粒脱落； 采用机械振动、电磁搅拌、超声振动等措施使已经形成 的树枝状晶粒破碎，获得大量的结晶核心，最终形成细 小的等轴晶组织。 添加晶粒细化剂，促进异质形核；
金属的凝固成形PPT优秀课件
充型能力越强。 3.浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力
越大，充型能力越差。
（三）铸型充填条件
1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。
2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。
3.铸型中的气体
（四）铸件结构
（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。
17
三、铸造内应力、变形与裂
纹
（一）铸造内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻 碍，铸件内部即将产生内应力。
1.机械应力（收缩应力） 上型
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
18
2．热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可 重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
4
第一节 金属的凝固特点
一 液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
T
1
TH
1
2
塑性状态
++-
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
11
T临
22
2
越大，充型能力越差。
（三）铸型充填条件
1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。
2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。
3.铸型中的气体
（四）铸件结构
（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。
17
三、铸造内应力、变形与裂
纹
（一）铸造内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻 碍，铸件内部即将产生内应力。
1.机械应力（收缩应力） 上型
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
18
2．热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可 重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
4
第一节 金属的凝固特点
一 液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
T
1
TH
1
2
塑性状态
++-
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
11
T临
22
2
第07讲 金属的凝固-PPT精选
30
13
图2-23 焊缝的层状扁析
图2-24 层状扁析与气孔
（a） 手弧焊 （b） 电子束焊 （a） 熔池的横断面 （b）熔池的纵断面
30
14
2.4.2 焊缝组织 1、 焊接条件下的凝固形态 ❖ 由于熔池各部位成分过冷不同，凝固形态也有所不 同，图2-25示意地表示了焊缝凝固形态的变化过程。
图2-25 焊缝结晶形态的变化
焊接电流较小时，主要是胞状晶；
焊接电流较大时，主要是粗大的胞状树枝晶。
30
18
2、凝固形态对性能的影响 ❖ 粗大的柱状晶会降低焊缝金属的强度和韧性。 ❖ 图2-26所示为低碳钢碱性焊条焊接的焊缝，晶粒粗
细对冲击性能的影响。 ❖ 在稳定型奥氏体钢(如25-20型)焊接时，粗大柱状晶
是造成热裂纹的原因之一；同时对抗晶间腐蚀也 不利。
（2） 振动凝固
❖ 振动的方式主要有：低频机械振动、高频超声振 动和电磁振动等；
❖ 通过振动熔池可以破坏成长的晶粒，达到细化晶
粒的目的。
30
20
2.4.3 焊接熔合区 1、 熔合区的构成 ❖ 熔合区即焊接接头中焊缝向母材热影响区过渡的区 域。熔合区由半熔化区与未混合区两部分组成。
图2-27 熔合区的构成示意图
1—焊缝区（富焊条成分） 2—焊缝区（富母材成分）3—半熔化区
4—真实热影响区 5—熔合区
WI—实际熔合30线 WM—焊缝金属
21
❖ 半熔化区指焊缝边界固液两相交错共存的部位：
一是由于电弧吹力和熔滴过渡可能造成的坡口 熔化不均匀；
二是由于母材晶粒的取向不同所造成的熔化不 均匀；
三是母材各点熔质分布不均匀而形成的理论熔 点和实际熔点的差异所造成。
金属凝固原理ppt课件
3、通过大量的实验研究，Chalmers及大野笃美等人 提出“激冷等轴晶游离”理论，Jackson、Southi等 人提出“枝晶熔断”及“结晶雨”理论，以此为指 导可有效控制结晶过程和凝固组织。在这些理论的 基础上，机械及超声波振动、机械及电磁液相搅拌、 孕育处理、变质处理等技术得以发展与推广并仍在 不断改进及完善。
可锻铸铁、球墨铸铁：战国时期已有白心、黑心可锻铸铁。 西汉时期此技术达成熟，成为铸作坊中的常规工艺。近年来 发现近十件石墨为球形的铸铁农具。
层叠铸造：王莽时代，一次铸184枚铜钱、河南温县窑出 土的2000年前叠箱浇注的铸件，一组18个马嚼子。
大型及特大型铸件：沧州铁狮子：公元953年：50吨；当 阳铁塔：公元1061年，50吨；正定铜佛：公元971年： 50吨；永乐大钟：公元1418年，46吨。
“王冠上的明珠” 航空发动机是航空航 天器的核心部件，其发展水平已成为一个国 家科技水平、军事实力和综合国力的重要标 志之一。人类航空史上航空动力技术的每一 次重大革命性进展，无不与凝固技术的突破 和进步相关。
“金融经济”、“网络经济”、“知识经济”等 意识的强烈冲击→传统的金属材料成形加工工业被 看成了“老气横秋”的“夕阳工业”。
1
AR 2
A
DL2
mls( )
3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考 虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶 质再分配方程等理论模型。
4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量 冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概 念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸 造工艺设计的理论依据2 之一。
例： 小尺寸铸件 金属型 快速凝固 凝固时间极短 （几秒） 溶质的扩散和对流的作用将不明显，导 热成为SP的控制环节。
可锻铸铁、球墨铸铁：战国时期已有白心、黑心可锻铸铁。 西汉时期此技术达成熟，成为铸作坊中的常规工艺。近年来 发现近十件石墨为球形的铸铁农具。
层叠铸造：王莽时代，一次铸184枚铜钱、河南温县窑出 土的2000年前叠箱浇注的铸件，一组18个马嚼子。
大型及特大型铸件：沧州铁狮子：公元953年：50吨；当 阳铁塔：公元1061年，50吨；正定铜佛：公元971年： 50吨；永乐大钟：公元1418年，46吨。
“王冠上的明珠” 航空发动机是航空航 天器的核心部件，其发展水平已成为一个国 家科技水平、军事实力和综合国力的重要标 志之一。人类航空史上航空动力技术的每一 次重大革命性进展，无不与凝固技术的突破 和进步相关。
“金融经济”、“网络经济”、“知识经济”等 意识的强烈冲击→传统的金属材料成形加工工业被 看成了“老气横秋”的“夕阳工业”。
1
AR 2
A
DL2
mls( )
3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考 虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶 质再分配方程等理论模型。
4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量 冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概 念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸 造工艺设计的理论依据2 之一。
例： 小尺寸铸件 金属型 快速凝固 凝固时间极短 （几秒） 溶质的扩散和对流的作用将不明显，导 热成为SP的控制环节。
金属凝固原理课件
形核速率
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。
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。
相关主题
- 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)。
•Kurz W, Ficker D J. Foundamentals of
Solidification. Switzweland: Trans Pub.
Ltd,1998 汉译本 《凝固原理》库尔兹和费希尔
•大野笃美著， 邢建东译， 金属的凝固—理论、
实践与应用。
第一章 概 论
中国制造2025 从工业大国到工业强国
第一章 概 论
怎样具有跨界能力？中西教育的差距？不出国 能不能赶上？怎样赶上？
为什么读研？职业规划？人生规划？如何实现？ →为什么活着？怎样活得的更好？我应该在有限的 时间内培养哪些技能？
第一章 概 论
基本思路：人文修养的提升—整体思维、逻辑 思维能力、文字处理能力、搜索能力（搜商）、批 判性的思维。
物理化学、金属学、传热学、传质学、动量传输 学等，在此基础上，阐述液态金属的结构和性质， 晶体的生核及长大，宏观组织及其控制等内容。
研究手段： 实验
数学解析 数值模拟 物理模拟
研究
相变热力学： 相平衡 界面
化学平衡 凝固动力学：
溶质再分配 形核 生长
化学反应 传输现象：
传热 传质 对流
指导
宏观组织（晶粒形态与
第一章 概 论
凝固原理（solidification principle）： 凝固学，本课程以金属为主要研究对 象—金属凝固或液态金属凝固学。
第一节 液态金属凝固学的研究对象
一、研究对象和内容 研究对象：液态金属→固态的过程。 研究内容：是研究液态金属（合金）转变成固态
金属（合金）这一凝固过程的理论及技术，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。 二、液态金属凝固学的理论基础
大型铸件：10-3~10-2℃/S 普通铸件：10-3~102℃/S 普通雾化工艺生产金属粉末：103 ℃/S 快速雾化工艺生产金属粉末：104 ℃/S 雾化沉积、单辊法、激光表面重熔（快速凝固RS）
106~109 ℃/S
六、凝固原理地位和作用
六、凝固原理地位和作用
宝马汽车发动机
载人飞船
嫦娥一号飞行云迹实拍图
第一章 概 论
中国制造2025 从工业大国到工业强国
第一章 概 论
先进材料是关键支撑：金属材料、无机非金属 材料、高分子材料。
凝固：局限于金属材料？
第一章 概 论
凝固（solidification）：液态向固态的相变 过程。
凝固：凝聚、凝结、固结 一种极为普遍的物理现象，广泛存在于自 然界和工程技术领域。 例：水→冰 火山熔岩→固化 高分子材料成形过程中是否也存在？ 水泥的凝固过程？粉末冶金过程？ 与结晶的区别与联系？
3、通过大量的实验研究，Chalmers及大野笃美等人 提出“激冷等轴晶游离”理论，Jackson、Southi等 人提出“枝晶熔断”及“结晶雨”理论，以此为指 导可有效控制结晶过程和凝固组织。在这些理论的 基础上，机械及超声波振动、机械及电磁液相搅拌、 孕育处理、变质处理等技术得以发展与推广并仍在 不断改进及完善。
4、最近20年 ①极端条件下SP的研究（如RS、超重力、微重力、超高
压）。
②计算机，凝固过程模拟和凝固过程控制。
我国铸造技术的发展
1.古代铸造技术成就 商周陶范铸造: 陶范制作在商周时期已非常精细，并皆有面
料、背料之分，可铸造剑和编钟。
战国《考式记》：记载六种锡青铜的配比，称为“六齐”， 说明该时期对锡青铜成分与组织、性能的关系已有规律性的 认识。
但是，美国的经验告诉我们，任何过分强调发 展第三产业的重要性，而忽视制造业对国民经济健 康发展重要性的作法，都将降低其制造业产品的国 际竞争力。
日本、德国汽车工业的快速崛起，美国制造业 世界霸主地位的丧失和美国汽车在国际市场上竞争 力的下降，使美国政府和专家充分认识到制造业的 重要性，从而提出了一系列先进制造技术的发展战 略，以提高其制造业的技术水平和产品的竞争力。
1
AR 2
A
DL 2
mls( )
3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考 虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶 质再分配方程等理论模型。
4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量 冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概 念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸 造工艺设计的理论依据2 之一。
→凝固层厚度
t k 2 →凝固系数
k 2b2 (Ti T )
1[L c1(T浇 Ts )]
（二）60年代后，研究工作重点放在经典凝固理论的 应用上
1、如钢锭的质量控制，连铸钢锭的电磁搅拌。
2、以提高质量，降低原材料和能源消耗为目标的优 质铸件理论与技术，快速凝固技术，定向 solidifation，半固态铸造在这一时期诞生。
尺寸）
微观组织（亚晶界、枝
晶间距、次生相）
揭示
强化相尺寸、形态及分 布
获得
凝固
多相合金的相结构
过程
组织均匀性
理论 模型
完善
成分均匀性（宏观偏析 与微观偏析） 组织致密性
形状完整性 力学性能 物理性能
要求 化学性能
气孔、夹杂
应力、变形、开裂
晶体结构缺陷
非晶、微晶、纳米晶及
非平衡晶
控制手段： 温度场控制（冷却方式）
GL mlco (1 ko )
R
DLko （只有扩散，无对流）
产生“成分过冷”的判据
2、Jackson Hunt提出了枝晶和共晶合金凝固 过程扩散场的理论解，并在此基础上获得枝 晶及共晶间距与凝固条件（G.R）的关系式， 得到许多实验的支持。
Jackson-Hunt模型下推出共晶片间距λ与凝 固速率R的平方根成反比。
第三节 液态金属（合金）凝固理论 研究的进展
一、古代凝固技术
5000年冶铸技术，前3000年主要是青铜器，后 2000年主要是铁器。
1978年湖北随县出土的编钟，64件8组（2400 年前战国初期铸造的）
明永乐18年（公元1418~1422年）铸造北京大 钟寺的永乐大钟，4.6吨，5.84×3.3(内2.9)m
二、现代凝固技术
（一）上世纪50—60年代，经典凝固理论诞生时期
1、在一代大师B.Chalmers（多伦多大学）的指
导下，Tiller Jackson和Rutter于50年代初期在对 凝固界面附近溶质分布求解的基础上提出了著名 的成分过冷理论，首次将传质和传热因素耦合起 来分析凝固过程组织形态问题。
“王冠上的明珠” 航空发动机是航空航 天器的核心部件，其发展水平已成为一个国 家科技水平、军事实力和综合国力的重要标 志之一。人类航空史上航空动力技术的每一 次重大革命性进展，无不与凝固技术的突破 和进步相关。
“金融经济”、“网络经济”、“知识经济”等 意识的强烈冲击→传统的金属材料成形加工工业被 看成了“老气横秋”的“夕阳工业”。
雾里看花----怎样看得清清楚楚，明明白白？ 归纳总结，找相同找不同，为什么相同，为什 么不同？
第一章 概 论
学而不思则罔 思而不学则殆
温故而知新
“虽有嘉肴，弗食不知其旨也；虽有至道，弗学不 知其善也。是故学然后知不足，教然后知困。知不 足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰： 教学相长也。 ” --《礼记.学记》
第一章 概 论
推荐相关的书籍：
•肖纪美 宏观材料导论 2014.12
•
材料学方法论 1994
•李庆春等 铸件形成理论 1982
•胡汉起 金属凝固原理
•关绍康 等术
第一章 概 论
•Fleming M G, Solidification Processing.
金属凝固原理
第一章 概 论
第四次工业革命→ 2014年德国汉诺威工业 博览会4月7日至11日举行。“工业4.0”概念受 到关注。
早 在 2006 年 ， 联 邦 政 府 《 高 技 术 战 略 2020》 ，即《未来项目—“工业4.0”》。
中国制造2025---十三五规划----中国梦 高度智能化--信息化--对人才的要求--跨界能力
传统失蜡法：湖北、河南近年出土了春秋、战国时期的失蜡 铸件。明代《天工开物》上就有记载失蜡法的工艺过程。
生铁冶炼技术：周朝末年，开始有了铸铁。铁制农具发展很 快。秦汉以后，耕田的农具：锄、鎌、犁、锹等都是铁制品。 生铁的早期发展，为整个中国的钢铁技术发展奠定了基础。
铸铁金属型:铁范：早在战国时期，已用铁范成批铸造农具、 手工工具。
凝固技术已从公认的常规条件下的凝固发展 到超常条件和特殊条件下的凝固（快速凝固、空间 凝固、超高压凝固、深过冷凝固、激光（高能束） 快速熔化凝固等）。
液态成形原材料的丰富、非常规凝固技术的研 发、计算机计算能力的提高以及基础学科新成就在 凝固科学研究中的应用，使人们认识到经典理论的 局限性，并向经典理论提出了挑战。
机械力
物理场：电磁力、超重力、 控制（实践）
微重力 化学方法：晶粒细化、变
质、孕育处理
三、凝固理论与技术研究的重点
1、合金的化学成分是决定凝固组织、成分分布及相 结构形成倾向的首要因素。（单项凝固、多相凝 固）
2、合金成分确定后，凝固组织是由凝固过程的传热、 传质及液体流动决定的。因而，凝固过程的传热、 传质和对流成为凝固理论与技术研究的重点。
20世纪90年代，包括材料加工、成形新技术等 “先进制造技术”被列入美国“国家关键技术计 划”。
德国工业4.0，我国“中国制造2025”。
七、液态凝固理论发展
凝固理论研究核心为“凝固过程中的组织演 变及其控制”, 主要包括形核和生长两方面的内 容。科学、系统研究始于近代。文献记载，最早可 以追溯到1714年，但到20世纪40 年代，一般认 为国内外尚无公认的凝固理论，而只有铸冶工艺。
Solidification. Switzweland: Trans Pub.
Ltd,1998 汉译本 《凝固原理》库尔兹和费希尔
•大野笃美著， 邢建东译， 金属的凝固—理论、
实践与应用。
第一章 概 论
中国制造2025 从工业大国到工业强国
第一章 概 论
怎样具有跨界能力？中西教育的差距？不出国 能不能赶上？怎样赶上？
为什么读研？职业规划？人生规划？如何实现？ →为什么活着？怎样活得的更好？我应该在有限的 时间内培养哪些技能？
第一章 概 论
基本思路：人文修养的提升—整体思维、逻辑 思维能力、文字处理能力、搜索能力（搜商）、批 判性的思维。
物理化学、金属学、传热学、传质学、动量传输 学等，在此基础上，阐述液态金属的结构和性质， 晶体的生核及长大，宏观组织及其控制等内容。
研究手段： 实验
数学解析 数值模拟 物理模拟
研究
相变热力学： 相平衡 界面
化学平衡 凝固动力学：
溶质再分配 形核 生长
化学反应 传输现象：
传热 传质 对流
指导
宏观组织（晶粒形态与
第一章 概 论
凝固原理（solidification principle）： 凝固学，本课程以金属为主要研究对 象—金属凝固或液态金属凝固学。
第一节 液态金属凝固学的研究对象
一、研究对象和内容 研究对象：液态金属→固态的过程。 研究内容：是研究液态金属（合金）转变成固态
金属（合金）这一凝固过程的理论及技术，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。 二、液态金属凝固学的理论基础
大型铸件：10-3~10-2℃/S 普通铸件：10-3~102℃/S 普通雾化工艺生产金属粉末：103 ℃/S 快速雾化工艺生产金属粉末：104 ℃/S 雾化沉积、单辊法、激光表面重熔（快速凝固RS）
106~109 ℃/S
六、凝固原理地位和作用
六、凝固原理地位和作用
宝马汽车发动机
载人飞船
嫦娥一号飞行云迹实拍图
第一章 概 论
中国制造2025 从工业大国到工业强国
第一章 概 论
先进材料是关键支撑：金属材料、无机非金属 材料、高分子材料。
凝固：局限于金属材料？
第一章 概 论
凝固（solidification）：液态向固态的相变 过程。
凝固：凝聚、凝结、固结 一种极为普遍的物理现象，广泛存在于自 然界和工程技术领域。 例：水→冰 火山熔岩→固化 高分子材料成形过程中是否也存在？ 水泥的凝固过程？粉末冶金过程？ 与结晶的区别与联系？
3、通过大量的实验研究，Chalmers及大野笃美等人 提出“激冷等轴晶游离”理论，Jackson、Southi等 人提出“枝晶熔断”及“结晶雨”理论，以此为指 导可有效控制结晶过程和凝固组织。在这些理论的 基础上，机械及超声波振动、机械及电磁液相搅拌、 孕育处理、变质处理等技术得以发展与推广并仍在 不断改进及完善。
4、最近20年 ①极端条件下SP的研究（如RS、超重力、微重力、超高
压）。
②计算机，凝固过程模拟和凝固过程控制。
我国铸造技术的发展
1.古代铸造技术成就 商周陶范铸造: 陶范制作在商周时期已非常精细，并皆有面
料、背料之分，可铸造剑和编钟。
战国《考式记》：记载六种锡青铜的配比，称为“六齐”， 说明该时期对锡青铜成分与组织、性能的关系已有规律性的 认识。
但是，美国的经验告诉我们，任何过分强调发 展第三产业的重要性，而忽视制造业对国民经济健 康发展重要性的作法，都将降低其制造业产品的国 际竞争力。
日本、德国汽车工业的快速崛起，美国制造业 世界霸主地位的丧失和美国汽车在国际市场上竞争 力的下降，使美国政府和专家充分认识到制造业的 重要性，从而提出了一系列先进制造技术的发展战 略，以提高其制造业的技术水平和产品的竞争力。
1
AR 2
A
DL 2
mls( )
3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考 虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶 质再分配方程等理论模型。
4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量 冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概 念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸 造工艺设计的理论依据2 之一。
→凝固层厚度
t k 2 →凝固系数
k 2b2 (Ti T )
1[L c1(T浇 Ts )]
（二）60年代后，研究工作重点放在经典凝固理论的 应用上
1、如钢锭的质量控制，连铸钢锭的电磁搅拌。
2、以提高质量，降低原材料和能源消耗为目标的优 质铸件理论与技术，快速凝固技术，定向 solidifation，半固态铸造在这一时期诞生。
尺寸）
微观组织（亚晶界、枝
晶间距、次生相）
揭示
强化相尺寸、形态及分 布
获得
凝固
多相合金的相结构
过程
组织均匀性
理论 模型
完善
成分均匀性（宏观偏析 与微观偏析） 组织致密性
形状完整性 力学性能 物理性能
要求 化学性能
气孔、夹杂
应力、变形、开裂
晶体结构缺陷
非晶、微晶、纳米晶及
非平衡晶
控制手段： 温度场控制（冷却方式）
GL mlco (1 ko )
R
DLko （只有扩散，无对流）
产生“成分过冷”的判据
2、Jackson Hunt提出了枝晶和共晶合金凝固 过程扩散场的理论解，并在此基础上获得枝 晶及共晶间距与凝固条件（G.R）的关系式， 得到许多实验的支持。
Jackson-Hunt模型下推出共晶片间距λ与凝 固速率R的平方根成反比。
第三节 液态金属（合金）凝固理论 研究的进展
一、古代凝固技术
5000年冶铸技术，前3000年主要是青铜器，后 2000年主要是铁器。
1978年湖北随县出土的编钟，64件8组（2400 年前战国初期铸造的）
明永乐18年（公元1418~1422年）铸造北京大 钟寺的永乐大钟，4.6吨，5.84×3.3(内2.9)m
二、现代凝固技术
（一）上世纪50—60年代，经典凝固理论诞生时期
1、在一代大师B.Chalmers（多伦多大学）的指
导下，Tiller Jackson和Rutter于50年代初期在对 凝固界面附近溶质分布求解的基础上提出了著名 的成分过冷理论，首次将传质和传热因素耦合起 来分析凝固过程组织形态问题。
“王冠上的明珠” 航空发动机是航空航 天器的核心部件，其发展水平已成为一个国 家科技水平、军事实力和综合国力的重要标 志之一。人类航空史上航空动力技术的每一 次重大革命性进展，无不与凝固技术的突破 和进步相关。
“金融经济”、“网络经济”、“知识经济”等 意识的强烈冲击→传统的金属材料成形加工工业被 看成了“老气横秋”的“夕阳工业”。
雾里看花----怎样看得清清楚楚，明明白白？ 归纳总结，找相同找不同，为什么相同，为什 么不同？
第一章 概 论
学而不思则罔 思而不学则殆
温故而知新
“虽有嘉肴，弗食不知其旨也；虽有至道，弗学不 知其善也。是故学然后知不足，教然后知困。知不 足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰： 教学相长也。 ” --《礼记.学记》
第一章 概 论
推荐相关的书籍：
•肖纪美 宏观材料导论 2014.12
•
材料学方法论 1994
•李庆春等 铸件形成理论 1982
•胡汉起 金属凝固原理
•关绍康 等术
第一章 概 论
•Fleming M G, Solidification Processing.
金属凝固原理
第一章 概 论
第四次工业革命→ 2014年德国汉诺威工业 博览会4月7日至11日举行。“工业4.0”概念受 到关注。
早 在 2006 年 ， 联 邦 政 府 《 高 技 术 战 略 2020》 ，即《未来项目—“工业4.0”》。
中国制造2025---十三五规划----中国梦 高度智能化--信息化--对人才的要求--跨界能力
传统失蜡法：湖北、河南近年出土了春秋、战国时期的失蜡 铸件。明代《天工开物》上就有记载失蜡法的工艺过程。
生铁冶炼技术：周朝末年，开始有了铸铁。铁制农具发展很 快。秦汉以后，耕田的农具：锄、鎌、犁、锹等都是铁制品。 生铁的早期发展，为整个中国的钢铁技术发展奠定了基础。
铸铁金属型:铁范：早在战国时期，已用铁范成批铸造农具、 手工工具。
凝固技术已从公认的常规条件下的凝固发展 到超常条件和特殊条件下的凝固（快速凝固、空间 凝固、超高压凝固、深过冷凝固、激光（高能束） 快速熔化凝固等）。
液态成形原材料的丰富、非常规凝固技术的研 发、计算机计算能力的提高以及基础学科新成就在 凝固科学研究中的应用，使人们认识到经典理论的 局限性，并向经典理论提出了挑战。
机械力
物理场：电磁力、超重力、 控制（实践）
微重力 化学方法：晶粒细化、变
质、孕育处理
三、凝固理论与技术研究的重点
1、合金的化学成分是决定凝固组织、成分分布及相 结构形成倾向的首要因素。（单项凝固、多相凝 固）
2、合金成分确定后，凝固组织是由凝固过程的传热、 传质及液体流动决定的。因而，凝固过程的传热、 传质和对流成为凝固理论与技术研究的重点。
20世纪90年代，包括材料加工、成形新技术等 “先进制造技术”被列入美国“国家关键技术计 划”。
德国工业4.0，我国“中国制造2025”。
七、液态凝固理论发展
凝固理论研究核心为“凝固过程中的组织演 变及其控制”, 主要包括形核和生长两方面的内 容。科学、系统研究始于近代。文献记载，最早可 以追溯到1714年，但到20世纪40 年代，一般认 为国内外尚无公认的凝固理论，而只有铸冶工艺。