金属凝固原理ppt课件
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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
重庆大学金属凝固原理 课件 第1章 概述
铸件和“无限长”的柱状晶
·计算机数值模拟技术得到迅猛发展，可预计铸件
的质量（组织、缺陷和性能），工艺设计更加科 学化，降低了制造成本。
四、需探讨解决的问题
·金属遗传问题的机理 ·固-液界面结晶形貌因第三组元加入后改变的机理 ·宏观偏析的形成机理（特别是大型钢锭的“V”型
和逆“V”型偏析
·高速及超高速冷却（快速凝固）的基础理论研究
·枝晶熔断、游离和增殖的形核理论应用到工业中
的机械振动、电磁搅拌等措施来细化组织。
·半固态铸造工艺
· 超高速（106~109℃/s)凝固，获得成分均匀、超
细的粒状晶甚至非晶、纳米晶
· 建立了枝晶间距—热参数—机械性能的数学模型
通过控制热参数来提高材料性能
·定向凝固技术发展，可制得无偏析和缺陷的单晶
课程名称
《材料成形原理》
先了解材料成形和加工的主要方法
一、 材料成形与制造业
液态成形 连接成形 塑性成形 (含注塑成 形) 粉末成形 切削成形
表面加工
原材料
(锭料、轧材) 液态成形 连接成形 塑性成形 (含注塑成 形) 粉末成形 切削成形
毛坯
切削加工
零件
装配
机器Βιβλιοθήκη 热处理切削加工二、材料加工的主要方法
还很欠缺
§1-3 本篇课程内容及要求 一、课程内容 共分8章 第一章 概述 第二章 液态金属的结构与性质 第三章 形核 第四章 纯金属晶体生长界面动力学过程 第五章 单相合金的凝固 第六章 共晶合金的凝固 第七章 金属凝固的宏观组织与凝固方式 第八章 液态成形件的主要缺陷及质量控制 重点为第五章和第七章
液态金属
凝固
（金属的一次结晶）
固态金属的
状态转变，是液态成形最基本的过 程，金属凝固是液态成形的理论基 础。
·计算机数值模拟技术得到迅猛发展，可预计铸件
的质量（组织、缺陷和性能），工艺设计更加科 学化，降低了制造成本。
四、需探讨解决的问题
·金属遗传问题的机理 ·固-液界面结晶形貌因第三组元加入后改变的机理 ·宏观偏析的形成机理（特别是大型钢锭的“V”型
和逆“V”型偏析
·高速及超高速冷却（快速凝固）的基础理论研究
·枝晶熔断、游离和增殖的形核理论应用到工业中
的机械振动、电磁搅拌等措施来细化组织。
·半固态铸造工艺
· 超高速（106~109℃/s)凝固，获得成分均匀、超
细的粒状晶甚至非晶、纳米晶
· 建立了枝晶间距—热参数—机械性能的数学模型
通过控制热参数来提高材料性能
·定向凝固技术发展，可制得无偏析和缺陷的单晶
课程名称
《材料成形原理》
先了解材料成形和加工的主要方法
一、 材料成形与制造业
液态成形 连接成形 塑性成形 (含注塑成 形) 粉末成形 切削成形
表面加工
原材料
(锭料、轧材) 液态成形 连接成形 塑性成形 (含注塑成 形) 粉末成形 切削成形
毛坯
切削加工
零件
装配
机器Βιβλιοθήκη 热处理切削加工二、材料加工的主要方法
还很欠缺
§1-3 本篇课程内容及要求 一、课程内容 共分8章 第一章 概述 第二章 液态金属的结构与性质 第三章 形核 第四章 纯金属晶体生长界面动力学过程 第五章 单相合金的凝固 第六章 共晶合金的凝固 第七章 金属凝固的宏观组织与凝固方式 第八章 液态成形件的主要缺陷及质量控制 重点为第五章和第七章
液态金属
凝固
（金属的一次结晶）
固态金属的
状态转变，是液态成形最基本的过 程，金属凝固是液态成形的理论基 础。
《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。
材料的凝固PPT课件
dG S dT P
在交点温度（Tm ）：两相自由 能相等，即GL=GS平衡共存 T<Tm：液、固两相的自由能差 值是两相间发生相转变（L—S〉 的驱动力。
材料的凝固
液 固，单位体积自由能的变化Δ Gv为
（1）
G V G S G L H S T S ( S H L T L )S (H S H L ) T (S S S L )
一、液态金属的结构
1 .模型 a. 微晶无序模型（准晶体模型） b. 随机密堆模型
2 结构起时而产生，时 而消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不 稳定现象称为结构起伏。温度越低，结构起伏尺寸越大。
材料的凝固
二、结晶过程的分析方法------热分析
材料的凝固
由模冷技术和雾化技术所得的制品 多为薄片、线体、粉末。
要得到尺寸较大得急冷凝固材料的 制品用于制造零件，还需将粉末等利用 固结成型技术如冷热挤压法、冲击波压 实法等使之在保持快冷的微观组织结构 条件下，压制成致密的制品。
材料的凝固
4、急冷凝固技术——表面快热技术
表面快热技术
即通过高密度的能束如激光或高能电子束扫描 工件表面使工件表面熔化，然后通过工件自身吸热散 热使表层得到快速冷却。
材料的凝固
一次对称轴
二次对称轴
三次对称轴
四次对称轴
五次对称轴
六次对称轴
七次对称轴
材料的凝固
八次对称轴
五次对称轴——准晶体
急冷技术的发展和研究，1984年发现了有五次对称轴的晶体，，原子 在晶体内部长程有序，具有准周期性，介于晶体与非晶体之间。
遵循形核、长大规律完成液、固转变，相变受原子扩散控制 准晶必须在一定冷速范围内形成。 Al-Mn, Al –Co , Al-Mn -Fe , Al – V , Al-Mn -Si , Pd-U-Si 合金中发现了准晶体
在交点温度（Tm ）：两相自由 能相等，即GL=GS平衡共存 T<Tm：液、固两相的自由能差 值是两相间发生相转变（L—S〉 的驱动力。
材料的凝固
液 固，单位体积自由能的变化Δ Gv为
（1）
G V G S G L H S T S ( S H L T L )S (H S H L ) T (S S S L )
一、液态金属的结构
1 .模型 a. 微晶无序模型（准晶体模型） b. 随机密堆模型
2 结构起时而产生，时 而消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不 稳定现象称为结构起伏。温度越低，结构起伏尺寸越大。
材料的凝固
二、结晶过程的分析方法------热分析
材料的凝固
由模冷技术和雾化技术所得的制品 多为薄片、线体、粉末。
要得到尺寸较大得急冷凝固材料的 制品用于制造零件，还需将粉末等利用 固结成型技术如冷热挤压法、冲击波压 实法等使之在保持快冷的微观组织结构 条件下，压制成致密的制品。
材料的凝固
4、急冷凝固技术——表面快热技术
表面快热技术
即通过高密度的能束如激光或高能电子束扫描 工件表面使工件表面熔化，然后通过工件自身吸热散 热使表层得到快速冷却。
材料的凝固
一次对称轴
二次对称轴
三次对称轴
四次对称轴
五次对称轴
六次对称轴
七次对称轴
材料的凝固
八次对称轴
五次对称轴——准晶体
急冷技术的发展和研究，1984年发现了有五次对称轴的晶体，，原子 在晶体内部长程有序，具有准周期性，介于晶体与非晶体之间。
遵循形核、长大规律完成液、固转变，相变受原子扩散控制 准晶必须在一定冷速范围内形成。 Al-Mn, Al –Co , Al-Mn -Fe , Al – V , Al-Mn -Si , Pd-U-Si 合金中发现了准晶体
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
金属凝固原理——形核ppt课件
度，达到临界过冷度（ΔT*），形核
率迅速上升;当过冷度ΔT非常大时， 形核率反而下降，甚至趋近于0，成为 非晶态。
计算及实验均表明: ΔT* 0.2Tm
图3.5 均质形核的形
核率与过冷度的关系
.
三、均质形核理论的局限性
均质形核是对理想纯金属而言的，其过冷度很大， 如纯液态铁的△T=1590X0.2=318℃。这比实际液态 金属凝固时的过冷度大多了。实际上金属结晶时的过 冷度一般为几分之一摄氏度到十几摄氏度。这说明了 均质形核理论的局限性。因实际的液态金属(合金)， 都会含有多种固体夹杂物。同时其中还含有同质的原 子集团。某些固体夹杂物和这些同质的原子集团即可 作为凝固核心。固体夹杂物和固体原子集团对于液态 金属而言为异质，因此，实际的液态金属(合金)在凝 固过程中多为异质形核。
所以：
G
1 3
ASL
即：临界形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能 0
的三分之一， 它是均质形核所必须克服的能量障
碍。形核功其中一部分由熔体中的“能量起伏”
提供，但不能保证形核。因此，必须在过冷条件
下克服这部分能量，才能克服能量障碍。因此，
均质形核的过程在过冷条件下借助 “能量起伏”
形成新相晶核的过程。
3 r3(23co sco 3)s V Gs v r3LS(23co sco 3)s
.
得到类似于均质形核的系统自由能变化曲线 （见下图），曲线有一最大值，该值对应的半径
用 r ** 表示，称为异质形核的临界晶核半径。
图3.7 均质和异质形核功图
.
令rG|rrr0，得2异L质SV形sT核m的临界晶核半径：
.
二、大量形核的过冷度（ T*）
液态金属只要存
钢锭的凝固PPT课件
内部形成缩孔。
缩孔的类型
02
根据缩孔的位置和大小，可分为集中缩孔和分散缩孔。集中缩
孔较大，分散缩孔较小。
缩孔的影响
03
缩孔会导致钢锭的致密度下降，影响钢材的机械性能和可靠性。
钢锭的成分控制
01
02
03
成分的重要性
钢锭的成分是影响其机械 性能、耐腐蚀性和加工性 能的重要因素。
成分的控制方法
通过调整炼钢过程中的原 料配比、加入合金元素等 方式控制钢锭的成分。
Байду номын сангаас
02
钢液成分
钢液中的元素含量会影响其凝固过程中的物理和化学变 化，从而影响钢锭的质量。
03
钢锭模设计
钢锭模的设计会影响钢液的冷却速度和流动状态，进而 影响钢锭的结晶结构和质量。
02
钢锭凝固原理
钢锭的结晶过程
01
钢锭的结晶过程是指液态钢转变为固态钢的过程，包括 形核和晶核长大两个阶段。
02
形核阶段是钢锭内部形成晶核的过程，这些晶核在液态 钢中形成，并逐渐长大。
钢锭在凝固过程中，由于热应力和组 织应力的作用，在钢锭表面或内部形 成裂纹。
裂纹的影响
裂纹会导致钢锭的强度和韧性下降， 影响钢材的质量和安全性。
裂纹的类型
根据裂纹的形状和位置，可分为热裂纹和 冷裂纹。热裂纹发生在钢锭凝固过程中， 冷裂纹则发生在钢锭冷却或加工过程中。
钢锭的缩孔问题
缩孔的形成
01
钢锭在凝固过程中，由于体积收缩和温度梯度的影响，在钢锭
加工性能好
钢锭经过适当的加工后， 具有良好的切削加工性能， 能够提高机械零件的加工 效率。
钢锭在建筑行业中的应用
建筑结构件
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”。
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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。
3第三章--材料的凝固ppt课件(全)
溶体转变线
温N
度
J A+
L D
相区标注
L+A AE
C L+ Fe3C F
组织组成物标注 G
A+ Fe3C
A+
Le
复相组织组成物：
F
珠光体P(F+ Fe3C)
A+F S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Le Le+ Fe3CⅠ K
P P
F+ Fe3C
P+
Le’
莱氏体Le(A+ Fe3C)
QP+F Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Le’ Le’+ Fe3CⅠ
混合物，称作莱氏体，用Le 表示。为蜂窝状。以Fe3C为 基，性能硬而脆。
莱氏体
PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C 共析转变的产物是与
Fe3C的机械混合物, 称 作珠光体，用P表示。
L+δ
δ+
L+
+
L+ Fe3C + Fe3C
F+ Fe3C
扫描电镜形貌 珠光体(光镜)
珠光体的组织特点是 两相呈片层相间分布, 性能介于两相之间。 PSK线又称A1线 。
Q
不易分辨。室温组织为P.
珠光体
共析钢的结晶过程
㈢ 亚共析钢的结晶过程 0.09~0.53%C亚共析钢
冷却时发生包晶反应。
Ⅲ
A
H
B
J
以0.45%C的钢为例 合金在 4 点以前通过匀
晶→包晶→匀晶反应全
部转变为。到4点，由
G S
P
+Fe3C
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。
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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。
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
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）
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：
“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”。
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。
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
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
பைடு நூலகம்一章 概 论
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•
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.
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。
•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
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
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。
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。
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？
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。
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
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）
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：
“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。
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非平衡晶
控制手段： 温度场控制（冷却方式）
机械力
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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。
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
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”》。
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Ltd,1998 汉译本 《凝固原理》库尔兹和费希尔
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实践与应用。
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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》
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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。
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。
第一章 概 论
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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？