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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
•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
3、合金液的结构对凝固过程与组织有重要影响，如 合金液的预处理（过热处理、微合金化处理）。
性质
环境影响
化学成分
结构（组织）
合成与加工
理论及材料设计
使用性能(Service Performance)
材料科学与工程的内涵
16
四、研究对象尺度变化对凝固过程的控制因素 和环节的影响
研究对象是单一过程（L→S），但研究对象 尺度大小的变化使凝固过程的控制因素和环节具有 本质的差别。
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。
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。
大铸件（数十吨、上百吨） 砂型 凝固时间极 长（几小时、上百小时）溶质扩散对SP中的对流 影响极大，元素的宏观偏析也成为SP研究与控制 的主要问题。
五、工业生产中常见的V冷（SP中的V冷是凝固 条件的主要指标）
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》
传热 传质 对流
指导
宏观组织（晶粒形态与
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
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。
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
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 材料成型基础
• 周尧和 胡壮麒 介万奇 凝固技术
第一章 概 论
•Fleming M G, Solidification Processing.
“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”。
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。
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
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：
Fra Baidu bibliotek
非平衡晶
控制手段： 温度场控制（冷却方式）
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。
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？
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
•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
3、合金液的结构对凝固过程与组织有重要影响，如 合金液的预处理（过热处理、微合金化处理）。
性质
环境影响
化学成分
结构（组织）
合成与加工
理论及材料设计
使用性能(Service Performance)
材料科学与工程的内涵
16
四、研究对象尺度变化对凝固过程的控制因素 和环节的影响
研究对象是单一过程（L→S），但研究对象 尺度大小的变化使凝固过程的控制因素和环节具有 本质的差别。
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。
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。
大铸件（数十吨、上百吨） 砂型 凝固时间极 长（几小时、上百小时）溶质扩散对SP中的对流 影响极大，元素的宏观偏析也成为SP研究与控制 的主要问题。
五、工业生产中常见的V冷（SP中的V冷是凝固 条件的主要指标）
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》
传热 传质 对流
指导
宏观组织（晶粒形态与
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
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。
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
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第一章 概 论
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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。
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
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：
Fra Baidu bibliotek
非平衡晶
控制手段： 温度场控制（冷却方式）
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。
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？