金属凝固原理课件
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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
《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。
《液态金属的凝固》课件
《液态金属的凝固》PPT 课件
液态金属在工业界和科技领域拥有广泛的应用。本次课件将带您领略液态金 属凝固的惊奇世界。
液态金属凝固渐有序排列并形成 晶体。晶体的长大导致固态化。
表面张力
表面张力越大，固态金属的形态越规则。表面张力 也会影响凝固速度。
过冷现象
液态金属降温时，在本应结晶的温度下仍未结晶而 保持液态态势。可以通过添加晶核或增加凝固度来
快速冷却技术
利用快速冷却先对合金进行淬火处理，让金属快速 形变，形成亚晶状态，获得优化的力学性能。
电磁悬浮熔炉
通过在电磁场中悬浮液态金属，消除熔炼容器的物 理接触和热影响，避免金属污染，制备高纯度金属。
凝固过程的模拟与优化
液态金属凝固过程可以通过数值模拟进行优化，以达到更好的机械性能和良好的成型效果。 • 开发多尺度模拟技术 • 提高数值模拟精度 • 结合实验验证模拟结果
液态金属凝固的应用领域
汽车制造
液态金属可制造高强度和轻质 零件，如车架、刹车片等。
3D打印
利用增材制造技术，可以制造 出复杂形状的金属零部件。
电子器件
液态金属可用于导电涂层、承 载电路等领域。
液态金属的凝固：现象和应用
液态金属凝固可以带来革命性的变革，可以制造更轻便、更高强度的结构件或电子元器件。相信液态金属凝固 技术在不久的将来会迎来更广泛的应用。
常见的液态金属材料
铝
轻质、强度高、导电性好，应用广泛。
钛
密度小、强度高、抗腐、生物相容性好，具有 良好的结构材料潜力。
镁
密度小、强度高、韧性好，并可以降低磁性。
锆
具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，广泛应用 于生物医学领域。
凝固过程和影响因素
1
液态金属在工业界和科技领域拥有广泛的应用。本次课件将带您领略液态金 属凝固的惊奇世界。
液态金属凝固渐有序排列并形成 晶体。晶体的长大导致固态化。
表面张力
表面张力越大，固态金属的形态越规则。表面张力 也会影响凝固速度。
过冷现象
液态金属降温时，在本应结晶的温度下仍未结晶而 保持液态态势。可以通过添加晶核或增加凝固度来
快速冷却技术
利用快速冷却先对合金进行淬火处理，让金属快速 形变，形成亚晶状态，获得优化的力学性能。
电磁悬浮熔炉
通过在电磁场中悬浮液态金属，消除熔炼容器的物 理接触和热影响，避免金属污染，制备高纯度金属。
凝固过程的模拟与优化
液态金属凝固过程可以通过数值模拟进行优化，以达到更好的机械性能和良好的成型效果。 • 开发多尺度模拟技术 • 提高数值模拟精度 • 结合实验验证模拟结果
液态金属凝固的应用领域
汽车制造
液态金属可制造高强度和轻质 零件，如车架、刹车片等。
3D打印
利用增材制造技术，可以制造 出复杂形状的金属零部件。
电子器件
液态金属可用于导电涂层、承 载电路等领域。
液态金属的凝固：现象和应用
液态金属凝固可以带来革命性的变革，可以制造更轻便、更高强度的结构件或电子元器件。相信液态金属凝固 技术在不久的将来会迎来更广泛的应用。
常见的液态金属材料
铝
轻质、强度高、导电性好，应用广泛。
钛
密度小、强度高、抗腐、生物相容性好，具有 良好的结构材料潜力。
镁
密度小、强度高、韧性好，并可以降低磁性。
锆
具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，广泛应用 于生物医学领域。
凝固过程和影响因素
1
金属凝固原理课件
新兴和超常条件下的凝固技术中的新现象和相 应的科学问题，即远平衡和极端不平衡情况下的凝 固问题已经成为今后凝固理论研究的重点内容。
西北工业大学发现了凝固组织形态选择的相关 性和历史相关性现象，并用实验证实了一定条件下 枝晶生长间距也不是唯一的。
中国科学院沈阳金属所和山东大学分别采用分子 动力学方法从原子尺度层次上研究了合金凝固的微 观过程，取得了创新性的研究成果。
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。
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》
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。
金属凝固原理
西北工业大学发现了凝固组织形态选择的相关 性和历史相关性现象，并用实验证实了一定条件下 枝晶生长间距也不是唯一的。
中国科学院沈阳金属所和山东大学分别采用分子 动力学方法从原子尺度层次上研究了合金凝固的微 观过程，取得了创新性的研究成果。
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。
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》
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。
金属凝固原理
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。
材料科学基础——纯金属的凝固.ppt
温 Tm
度 ΔT
ΔT=Tm-Ts
无限缓慢
称：
Ts
ΔT为过冷度
时间
金属纯度↑ΔT↑，冷却速度↑ΔT↑
b. 结晶潜热
1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴 随着放出或吸收的热量称为相变潜热。
温 Tm
度
Ts
无限缓慢
时间
2 晶体凝固的热力学条件
G H TS
dG S dT
SL SS
液体和晶体自由能随温度变化
G H TS dG S dT SL SS
ΔT
T1 T0
GL=GS时，Tm称平衡熔点。
单位体积自由能的变化ΔGv与过冷度ΔT的关系：
GV GL GS HL TSL (HS TSS ) HL HS T (SL SS ) H TS
T Tm
GV 0, Hm TmS 0 S Hm
Tm
T Tm : S变化小，认为是常数
GV
GL
GS
H m
T
H m Tm
H m Tm
T
上式中ΔT=Tm-T即为过冷(Undercooling or Supercooling)度,
只有ΔT>0时,ΔGV>0，液态向固态相变自 发进行。
2.2 晶核形成规律
晶核的形成分为均匀形核和非均匀形核。
N N1 N2
过冷度
温度 Tm
内容回顾
称rk为：临界晶核
2
rk GV ,
16 3
Gk 3(GV )2
Gk
16 3
3(GV )2
1 3
Sk
△Gk为形核功
自由能的降低只 补偿了界面能增 加量的2/3
均匀形核的条件
必须过冷，过冷度越大，结晶的趋势 也越大。
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“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
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第一章 概 论
•Fleming M G, Solidification Processing.
•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
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
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。
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。
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
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、场控制（冷却方式）
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
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）
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
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
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？
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》