液态金属凝固原理讲解
液态金属的凝固
液态金属的凝固是一个复杂而有趣的过程。通过凝固，液态金属转化为固体 形式，形成结晶结构，展现出不同的特性和性质。
凝固过程概述
液态金属的凝固过程由多个阶段组成，包括原子或离子结构的重新排列和结 晶的形成。在凝固过程中，导致凝态金属凝固后形成的固态结晶结构决定了其物理和化学性质。不同金属具 有不同的结晶结构，如面心立方、体心立方和密排六方等。
应用前景和未来发展
液态金属的凝固在材料科学、工程和制造等领域具有广泛的应用前景。未来 的研究将进一步探索凝固过程的机理并开发新材料和技术。
凝固晶体缺陷及其特性
凝固过程中的晶体缺陷对于金属的性质和性能具有重要影响。包括点缺陷 （如空位和杂质）和线缺陷（如晶界和位错）等。这些缺陷可以改变金属的 机械、热学和电学特性。
液固相变热和界面活性
液态金属凝固时释放或吸收的相变热是决定凝固行为的重要参数。同时，金 属的界面活性也影响凝固过程中液态金属与固态晶界之间的相互作用。
影响金属凝固的因素
金属凝固的速度和结构受多种因素影响，包括温度、压力、合金成分、凝固剂的添加以及外界条件等。了解这 些因素对凝固行为的影响至关重要。
自发凝固和外界引导凝固的区 别
金属的自发凝固是指在合适的条件下，金属在没有外界干预的情况下从液态 转变为固态。而外界引导凝固则是通过添加凝固剂或改变凝固条件来主动诱 导凝固。
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。
材料成型原理 金属的凝固
液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓度差 而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力。当浮力大于或等于 粘滞力时则产生对流，其对流强度由无量纲的格拉晓夫准则度 量，即
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式中，GT、GC分别为温度和浓度引起的对流强度。可见粘
度η越大对流强度越小。液体对流对结晶组织、溶质分布、 偏析、杂质的聚合等产生重要影响。
•金属的熔化
原子受热时，若其获得的动能大于激活能时， 原子就能越过原来的势垒，进人另一个势阱。这样， 原子处于新的平衡位置，即从一个晶格常数变成另 一个晶格常数。晶体比原先尺寸增大，即晶体受热 而膨胀。对晶体进一步加热则在晶界处的原子跨越 势垒而处于激活状态，能脱离晶粒的表面使金属处 于熔化状态。
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(3-2)
dS值的大小描述了金属由固态变成液态时，原子由规
则排列变成非规则排列的紊乱程度。
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3.1.2 液态金属的结构
•液态金属的热物理性质 从固态金属的熔化过程可看出，在熔点附近或过热度不
大的液态金属中仍然存在许多的固态晶粒，其结构接近固 态而远离气态－汽化潜热远大于其熔化潜热。
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液态铝中的原子的排 列在几个原子间距的小范 围内，与其固态铝原子的 排列方式基本一致，而远 离的原子就完全不同于固 态了。这种结构称为“微 晶”。液态铝的这种结构 称为“近程有序”、“远 程无序”的结构，而固态 的原子结构为远程有序的 结构。
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•液态金属的结构
由前面分析可见，纯金属的液态结构是由原子集团、 游离原子、空穴或裂纹组成的，而实际液态合金还包 含杂质和气泡等结构。原子集团由数量不等的原子组 成，其大小为10-10m数量级，在此范围内仍具有一定的 规律性，称为“近程有序”。
金属液态成形工艺原理讲稿
金属液态成形工艺原理讲稿一、引言金属液态成形工艺是一种重要的金属加工方法，它利用金属在液态状态下的可塑性，通过施加外力，将金属材料压制成所需形状的工艺过程。
金属液态成形工艺广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等众多领域，具有高效、精确、灵活的特点。
本文将介绍金属液态成形工艺的原理和应用。
二、金属液态成形工艺的原理金属液态成形工艺主要依靠金属在液态状态下的可塑性来实现材料的变形。
在液态状态下，金属具有较高的流动性和可塑性，可以通过施加外力使金属流动，从而制造出复杂形状的金属构件。
金属液态成形工艺的主要原理包括以下几点： 1. 温度控制：金属液态成形工艺需要将金属升温到液态状态，通常通过加热设备控制金属的温度。
2. 施加外力：在金属材料处于液态状态时，需要施加适当的外力，如压力、压力冲击等，以实现对金属的形状变化和压制成型。
3. 液态流动：金属在液态状态下具有较高的流动性，可以通过控制液态金属的流动轨迹和速度，实现对金属的精确塑性变形。
4. 液态金属的熔化和凝固特性：金属在液态和固态之间的相变过程对金属液态成形工艺具有重要影响。
不同金属具有不同的熔化温度和凝固温度，需要根据具体金属材料选择合适的工艺参数。
三、金属液态成形工艺的应用金属液态成形工艺在许多领域都有广泛的应用，具有以下几个优点： 1. 高效生产：金属液态成形工艺可以实现多工位、多工序的同时进行，提高了生产效率。
2. 精确成形：金属液态成形工艺可以制造出复杂形状的金属构件，加工精度高，尺寸和形状可控性强。
3. 节约材料：金属液态成形工艺可以使金属材料得到较好的填充，减少了材料的浪费。
4. 节约能源：金属液态成形工艺可以在短时间内实现金属材料的加热和冷却，节约了能源消耗。
金属液态成形工艺在以下领域有广泛的应用： 1. 航空航天：金属液态成形工艺可以制造出高强度和轻质的航空航天零部件，提高了飞行器的性能和燃油效率。
2. 汽车制造：金属液态成形工艺可以制造出汽车发动机缸体、曲轴等零部件，提高了汽车的动力性能和燃油效率。
《液态金属的凝固》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
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金属凝固原理范文
金属凝固原理范文金属凝固原理是指金属在从液态到固态转化的过程中所涉及的物理和化学现象。
金属凝固是一个复杂的过程，涉及到热力学、动力学和结构变化等方面的原理。
本文将分析金属凝固原理的基础知识，包括热力学、结构和晶体生长等方面的内容。
在金属凝固的过程中，热力学是至关重要的因素之一、根据热力学原理，金属凝固时会释放出热量，这是因为金属离子在凝固的同时释放出能量。
这种能量释放可以通过热力学公式来计算，其中包括凝固焓和凝固熵等参数。
液态金属在凝固过程中会出现结构变化，最常见的是由无序结构转变为有序的晶体结构。
晶体结构特征是金属凝固过程中的一个重要因素。
晶体结构的类型取决于金属原子的尺寸、电子构型和化学键的性质等因素。
例如，铜的晶体结构是面心立方结构，而铁的晶体结构是体心立方结构。
晶体生长是金属凝固过程中的另一个重要因素。
晶体生长是指在凝固过程中液态金属原子逐渐形成有序的晶体结构。
晶体生长可以分为两个阶段：核形成和晶格生长。
在核形成阶段，金属原子将逐渐聚集在一起，形成原子团簇。
当这些团簇达到一定大小时，它们就可以进一步生长，形成完整的晶体结构。
晶体生长的速度取决于多种因素，包括温度、压力和金属的化学成分等。
一般来说，晶体生长速度随着温度的升高而增加，因为高温有助于原子的扩散和聚集。
此外，压力对晶体生长速度也有影响，高压环境可以抑制晶体生长，而低压环境则有助于晶体生长。
除了热力学、晶体结构和晶体生长等方面的因素外，金属凝固还涉及到动力学过程。
动力学是指凝固过程中有关反应速率和能量转移的研究。
在金属凝固中，动力学过程包括原子之间的碰撞、扩散和团簇的生长等。
总之，金属凝固原理涉及到多个方面的知识，包括热力学、结构和晶体生长等。
了解这些原理可以帮助我们更好地理解金属凝固的过程，并为相关工业和科学研究提供指导。
材料加工原理第4章-液态金属的凝固
（二）微观长大方式
晶体长大微观上是液相原子向固相表面转移的过程。所以， 微观长大方式取决于液-固界面的结构
粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据， 形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构。 粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。 光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只 留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。
负温度梯度示意图
由于这样生长的结果很像树枝，所以被称为树枝状长大。晶 体以树枝状生长时，晶体树枝逐渐变粗，树枝间的液体最后全 部转变为固体，使每个枝晶成为一个晶粒。
长大方式：树枝状长大
树枝状长大的实物照片
【说明】树枝状长大不一定在负 温度梯度才能出现，有成分过冷 的条件下晶体同样可以树枝状长 大，而且后者更为普遍。
合金液体中存在的大量高熔点微小杂质，可作为非 均质形核的基底。晶核依附于夹杂物的界面上形成。 这不需要形成类似于球体的晶核，只需在界面上形成 一定体积的球缺便可成核。非均质形核过冷度ΔT比均 质形核临界过冷度ΔT*小得多时就大量成核。
（一）非均质形核形核功
（二）非均质形核形核条件
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（一） 非均质形核形核功
非均质形核临界晶核半径：
2 SL 2 SLTm r* GV HV T
与均质形核完全相同。
非均质形核功
G
he
1 (2 3 cos cos3 ) Gho 4
f ( )G
ho
当θ＝0º时，ΔGhe， ΔG= ΔGho 当θ＝180º时， ΔGhe he 远小于ΔGho 一般θ远小于180º = 0，此时在无过冷情况下即可形核
1、正温度梯度
坐标原点取在液固界面处，指向 液相为正方向。
液态金属凝固原理
穿晶组织
3、中心等轴晶区的形成
－－液态金属内部晶核自由生长的结果 • 晶核来源： （1）过冷液态金属直接形核 溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核 （2）随对流漂移到铸件中心的自由小晶体 1）激冷游离晶 2）型壁晶粒脱落 3）液面晶粒沉降（ 结晶雨） 上述晶粒随着液流漂移到铸件心部，通过增殖（枝晶熔 断），长大形成内部等轴晶 （3）共格的非金属夹杂物的非均匀形核
1. 等轴晶组织的获得和细化
（2）孕育处理
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
1. 等轴晶组织的获得和细化
（3） 动力学细化法 1） 控制浇注条件
强化液流冲刷
(a)中心顶注法（Al-0.2%Cu合金）
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics 图 不同浇注工艺铸锭的宏观组织 Focus Area Lecture Notes, G.R.
（1）浇注温度、铸型导热能力：浇注温度越高、铸型导热能力 越强，不利于细晶区形成；
（2）各种形式的晶粒游离（浇注时液体冲刷、液体对流造成）。
（2）合金成分：溶质含量越多，造成“颈缩”，利于细晶区形 成。
（3）非金属夹杂物含量：型壁附近熔体内大量的“非均匀形 核”，利于细晶区形成。 • 细晶区形成的前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层。
1.4.2 铸件晶粒组织的控制 对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到 较多的柱状晶，增加其致密度； 对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得 较多的甚至是全部细小的等轴晶组织； 对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界， 防止晶界降低蠕变抗力。
金属凝固原理
金属凝固原理
金属凝固原理是指金属从液态到固态的过程。
在金属熔化后，通过降低温度或进行其他处理，金属开始逐渐凝固。
凝固过程中，金属内部的原子或分子逐渐重新排列并结晶，形成有序的晶体结构，从而形成固态金属。
金属凝固原理基于凝固行为的研究，涉及到熔化、相变、晶体生长等多个方面。
首先，金属在熔化过程中，吸收热量使得金属内部的原子或分子运动加速，失去了原子之间的排列有序性，形成了液态金属。
当温度进一步降低时，金属开始进入凝固阶段。
在凝固的早期，金属内部出现一些微小的核心，这些核心是由一部分原子或分子聚集形成的。
这些核心吸引周围的原子或分子，从而导致晶体生长。
晶体生长过程中，较小的核心会扩大并联系在一起，形成更大的晶体。
在金属凝固过程中，晶体生长的速度取决于多种因素，包括温度、凝固速率、金属成分等。
高温下，原子或分子的运动速度较快，晶体生长速度较快；而低温下，晶体生长速度较慢。
凝固速率越快，金属内部的原子或分子越来越无序，晶体结构越复杂。
凝固过程中，金属的凝固形式也有多种，常见的有均匀凝固和偏析凝固。
均匀凝固指金属内部晶体结构均匀、成分均匀分布的凝固方式，一般适用于成分均匀的金属。
而偏析凝固则是指金属内部存在组分不均匀的现象，即某些金属元素或杂质在凝
固过程中会向其中心或表面区域富集。
综上所述，金属凝固原理是由金属熔化到固态的过程，涉及到熔化、相变、晶体生长等多个方面。
通过研究金属凝固原理，我们可以更好地理解金属的结构与性能，并可以针对不同的凝固条件来控制金属的制备过程。
金属液态成型的原理
金属液态成型的原理
金属液态成型是一种通过将金属加热至其熔点以上，使其处于液态状态，并通过施加压力将金属液体注入模具中，然后进行冷却和凝固的一种金属加工技术。
这种成型方法通常适用于高熔点金属，如铝合金、镁合金以及钢等。
金属液态成型的原理主要包括以下几个方面：
1. 加热：金属零件首先需要被加热至其熔点以上，使其转变为液态。
通常使用高温炉或者电阻加热器等设备，将金属零件加热至所需温度。
2. 施加压力：一旦金属零件达到液态，需要将其注入模具中。
这通常通过施加压力来实现，可以采用压铸机、注塑机等设备，将金属液体注入到预定形状的模具中。
3. 冷却和凝固：注入模具后，金属液体会迅速冷却，并逐渐凝固成为固态金属零件。
冷却过程中，金属零件会逐渐失去热量，同时形成所需的形状和结构。
通过金属液态成型技术，可以制造出形状复杂、尺寸精确的金属零件。
相比传统的金属成型方法，如锻造、铸造等，金属液态成型具有以下优点：
1. 高精度：金属液态成型可以制造出具有高精度的零件，尺寸稳定性好，形状复杂度高。
2. 优良的力学性能：由于金属液态成型过程中金属流动性好，因此金属零件具有优越的力学性能和均匀的组织结构。
3. 节约材料：相比传统的金属成型方法，金属液态成型可以更好地利用材料，减少浪费，提高材料利用率。
总结起来，金属液态成型通过将金属加热至液态状态，施加压力注入模具，并进行冷却和凝固的过程，可以制造出形状复杂、尺寸精确的高质量金属零件。
这种加工方法在航空航天、汽车等行业有广泛应用。
金属材料凝固原理与技术
金属材料凝固原理与技术金属材料凝固原理与技术，这个话题一听就让人觉得高大上，但其实它跟我们日常生活息息相关。
想象一下，咱们每天用的手机、电脑，甚至厨房里的锅，都是金属制成的，对吧？这些金属是怎么变成我们现在看到的模样的呢？这就得从凝固说起。
凝固，就是液体金属在冷却后变成固体的过程。
就像冰淇淋在阳光下慢慢融化，又在冰箱里重新结成冰那样。
这可不是简单的事儿，里面可是有大学问。
金属在加热时，会变成液态，像汤一样流动。
这时候，金属的分子就开始忙活起来，像舞池里跳舞的人一样，四处乱窜。
温度一降低，分子开始慢慢安静下来，就像在派对上找到了一个角落，最终它们会抱成团，形成一个个坚固的晶体结构。
这个过程就叫“凝固”。
这时候的金属，就不再是流动的液体，而是一个个坚硬的块儿了。
想象一下，像变魔术一样，一瞬间的变化！真是让人感叹大自然的神奇。
然后，说到凝固，咱们不得不提一下“冷却速率”。
这就像烤蛋糕，温度太高，外焦里嫩；温度太低，又没法熟。
金属也是一样，如果冷却得太快，晶体就会小得像沙子，导致金属变脆，没什么韧性。
相反，冷却得慢一点，晶体大了，金属就结实多了。
这就像你选的水果，如果没熟透，吃起来酸酸的，跟那些熟透的水果根本没法比，味道差得远。
所以说，控制冷却速度，才是技术的关键啊。
凝固过程中还有个重要角色，就是“合金”。
合金就是把不同的金属混合在一起，像调配饮料一样。
就拿铝合金来说，它比单纯的铝要强得多，不容易变形，轻得像羽毛。
这就让很多航空航天技术受益匪浅，飞机都能飞得高高的，离我们更近。
咱们常说的“万事开头难”，在金属材料的世界里，合金的配比可是决定成败的关键，调得好，材料就能像超人一样，强大又耐用。
再说说“晶体结构”的重要性。
不同金属有不同的晶体结构，像有的像方块，有的像六角形。
这些形状决定了金属的性能，强度、硬度都跟它们的结构有关系。
就算是同一种金属，经过不同的处理，它的性能也会大相径庭。
像大厨做菜，调味料不一样，出来的味道也截然不同。
【材料成型原理--铸造】第3章 液态金属凝固热力学与动力学
（2）生长过程：生长时，界面上突起的晶体将快 速伸入过冷液体中，一次晶臂甚至长出二次晶臂， 二次晶臂甚至长出三次晶臂，最终成为树枝晶。
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二、晶体微观长大方式
• 1、固液界面的微观结构 • （1）粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置有50%左右
被固相原子占据，另一部分位置空着，其微观上是粗 糙的，高低不平，称为粗糙界面。
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4、共格对应关系
固体质点的某一晶面和晶核的原子排列规律相似， 原子间距离相近或在一定范围内成比例，就可能实现界 面共格对应，该固体质点就可能成为形核的衬底。这种 对应关系叫共格对应关系。
共格对应关系用点阵失配度δ衡量，即：
as ac 100%
ac
式中，as和ac分别为夹杂物、晶核原子距离。
• （3）非平衡凝固：不仅大范围内溶质的扩散不充分， 即使固液界面附近溶质原子也不能充分扩散，凝固界面 上溶质的迁移远离平衡状态，称非平衡凝固。如快速凝 固、激光重熔等，冷速可达106℃/s以上。
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第二节 均质形核
生核方式：（1）均质形核； （2）非均质形核（异质形核）。
• 1、概念 均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发地形核。
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• 3、影响形核率的因素 （1）过冷度：过冷度越大，形核率越大； （2）界面： ➢ 1）夹杂物基底与晶核润湿，形核率大； ➢ 2）界面形态也有影响，凹形基底的夹杂物，形核需原
子数最少，形核率大。 ➢ 3）界面越多，形核率越大。
不同曲面衬底上形核示意图
（3）液态金属的过热及持续时间：液态金属过热，异质 核心熔化或表面失去活性，形核率降低。
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应用
• 形核剂：能作为生核衬底，促进形核的外加固体质点叫 形核剂。选形核剂的依据：
第一节 金属的液态成形原理
决定凝固方式的因素： （1）结晶温度范围 （2）铸件断面温度场分布变化
二 液态合金的充型能力
充型: 液态合金填充铸型的过程. 充型能力 : 液态合金充满铸型型腔 , 获得形状完整 , 轮廓清晰的铸件的能力
若充型能力不足，易产生:
1）浇不足: 不能得到完整隙或凹坑 , 机械性能下 降.
2) 共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点 低,过热度大；
3) 非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初 生树枝状晶阻碍液流 。 常用铸造合金中，铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。
逐层凝固（好）
糊状凝固（差）
不同成分合金流动性
（过热度）
碳钢
铸铁
碳钢随着结晶温 度范围的增加而 流动性变差；亚 共晶铸铁随含碳 量的增加流动性 提高。
纵向温度分布曲线
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
同时凝固特点:不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件均 匀冷却，减小热应力,不易形成内应力、变形和裂纹等缺 陷，但心部缩松有时难以避免,故用于收缩小的合金和各 种合金的薄壁铸件。如灰铸铁，锡青铜，铝硅合金等。 （1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
2)糊状凝固
• 结晶温度范围很宽 的合金，从铸件的 表面至心部都是固 液两相混存。 • 铸件断面上布满小 晶体，将金属液分 割开，致充型和补 缩能力变差。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
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
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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。
液态金属在特殊条件下的凝固及成形
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气体雾化法工作原理：
1. 浇入漏包中的合金液经喷嘴 雾化，并在雾化室中进一步 破碎、凝固，最后在收集室 中收集。
2. 雾化气体进人排气管，经过 滤后排出或循环使用。
3. 高速气流的主要作用是使液 态金属雾化成细小的颗粒。
4. 雾化气体可用空气、氮气、 氩气或氦气等，为避免氧化， 通常采用保护性气氛，特别 是氩气。
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1 —沉积室2 —基板3 —喷射粒子流4 —气体雾化室5－合金液6一坩埚 7 －雾化气体
8 —沉积体9 －运动机构 10 —排气及取料窒
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连续生产锭材的工艺原理图
1－感应加热坩埚2—气体雾化器（喷嘴）3—圆柱沉积锭
4—沉积室5—排气管6—循环分离器
急冷模法
表面熔化与沉积技木
电子束急冷淬火法
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模冷技术的特点
优点：熔体的凝固冷速较高，产品的微观 组织结构和性能也比较均匀。
缺点：用模冷技术生产的急冷合金产品作 为结构材料使用时，先粉碎后才能经固结 成型，加工成大块材料。
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采用这一技术时，提高急冷产品凝固冷速 的关键是：
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快速凝固技术可分为： （1）急冷凝固技术； （2）大过冷凝固技术。
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（1）激冷凝固技术
急冷凝固技术的核心：提高凝固过程中熔体的冷 速。
对金属凝固而言，提高系统的冷速必须要求：
（1）减少单位时间内金属凝固时产生的结晶潜热； （2）提高凝固过程中的传热速度。 根据这两个基本要求，急冷凝固技术的基本原理
液态金属中的固体化机制
液态金属中的固体化机制液态金属是一种特殊的材料，在工业制造和科学研究中发挥着重要作用。
而液态金属的固体化机制，则是液态金属研究中一个重要的问题。
本文将从分子层面、晶体态金属与液态金属之间的相互作用，以及外界作用力等多方面，阐述液态金属中的固体化机制。
分子层面液态金属中的原子/分子嵌入了几千业甚至几万个同种元素的邻域中。
这种高度密集的包含大量原子的邻域的共存状态是可逆的。
因此，在晶体态金属和液态金属之间存在着这样一种转变过程——液态金属可以固化成为晶体态金属。
液态金属的固体化机制来自于在这种邻域中相互作用的情况。
晶体态金属与液态金属之间的相互作用晶体态金属与液态金属之间的相互作用是液态金属固体化的关键。
晶体态金属与液态金属之间会出现一个临界温度T_Θ，当液态金属降到这个临界温度以下时，晶体相与液态相之间存在一种特殊的相互作用力以及引导为有序的排列。
通俗来讲，晶体态金属与液态金属之间会出现一种“水晶籽结构”，在这种条件下，液态金属会更倾向于沿着晶体的拓扑结构排列。
外界作用力液态金属的固体化机制还与外界作用力有关。
外界作用力的主要表现形式包括机械力、电场和磁场等。
以机械力为例，在晶体态金属和液态金属之间出现的压力会影响液态金属分子和原子的排列。
当压力足够大时，液态金属就会被固化成为晶体态金属。
液态金属的固体化机制虽然还存在很多未知之处。
但通过对晶体态金属和液态金属之间相互作用的认识以及外界作用力对液态金属的影响的探究，我们至少对于液态金属的固体化机制有了更清晰的认识。
液态金属的固体化机制不仅对于制造新型金属材料具有指导意义，而且在工业制造和科学研究中的应用前景是非常广阔的。
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2、内部柱状晶区的形成
凝固壳层→界面处晶粒单向散热→ 晶粒逆热流方向择优生长而形成柱 状晶
柱状晶区影响因素： （1）铸型导热能力： 铸型导热能
力越强，有利于柱状区形成； （2）合金成分：溶质含量越少，
1.4 金属结晶组织和凝固缺陷的控制
• 晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质 和具体凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱 状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织 ：
完全柱状晶
完全等轴晶
1、表面细晶粒区的形成
形成原因：
（1）铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无 方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。
铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。 铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比
例以及晶粒大小。
1.4.2 铸件晶粒组织的控制
（1）柱状晶（组织致密、晶粒粗大、 各向异性）：
生长过程中凝固区域窄，横向 生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不 能充分发展，分枝少，结晶后显微 缩松等晶间杂质少，组织致密。
• 细晶区形成的前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层。
2、内部柱状晶区的形成
• 稳定凝固壳层产生→→柱状晶区开始 • 内部等轴晶区形成→→柱状晶区结束 • 柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素综合作用结果。 • 生长方式：择优生长
•择优生长:各枝晶主干方向互不 相同，主干与热流方向相平行的 枝晶生长迅速，优先向内伸展并 抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰 掉取向不利的晶体过程中发展成 柱状晶组织。
溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核 （2）随对流漂移到铸件中心的自由小晶体
1）激冷游离晶 2）型壁晶粒脱落 3）液面晶粒沉降（ 结晶雨） 上述晶粒随着液流漂移到铸件心部，通过增殖（枝晶熔 断），长大形成内部等轴晶 （3）共格的非金属夹杂物的非均匀形核
1）激冷游离晶
非均质形核的激冷游离晶
有利于柱状晶区形成。 （3）非金属夹杂物含量：非金属
夹杂物含量少，有利于柱状晶 区形成。
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R.
穿晶组织
3、中心等轴晶区的形成
－－液态金属内部晶核自由生长的结果
• 晶核来源： （1）过冷液态金属直接形核
但柱状晶比较粗大，晶界面积 小，排列位向一致，其性能具有明 显的方向性：纵向好、横向差。凝 固界面前方常汇集有较多的第二相 杂质 ，将导致铸件热裂。
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1.4.2 铸件晶粒组织的控制 （2）等轴晶（组织疏松、各向同性）：
较多的柱状晶，增加其致密度； 对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得
较多的甚至是全部细小的等轴晶组织； 对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，
防止晶界降低蠕变抗力。
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1.4.2 铸件晶粒组织的控制
晶界面积大，杂质和缺陷分布比 较分散，且各晶粒之间位向也各不相 同，故性能均匀而稳定，没有方向性。
枝晶比较发达，显微缩松较多， 凝固后组织不够致密。
细化能使杂质和缺陷分布更加分 散，从而在一定程度上提高各项性能。 晶粒越细综合性能越好。
1.4.2 铸件晶粒组织的控制 对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到
1.等轴晶组织的获得和细化
强化非均匀形核 促进晶粒游离 抑制柱状晶区
1. 等轴晶组织的获得和细化
（1） 降低浇注温度 熔体的过热度较小，与浇道内壁接触就能产生大量的游 离晶粒。有助于已形成的游离晶粒的残存，这对等轴晶的 形成和细化有利。
1. 等轴晶组织的获得和细化
（2）孕育处理 孕育——向液态金属中添加少量孕育剂促进液态金属内部 形核，以达到增加晶核数、细化点高，直接作为外加晶核 b）通过与液态金属的相互作用形成高熔点化合物而产 生非均匀晶核－能与液相中某些元素组成较稳定的化合物 如，铝液中加入Ti，形成TiAl3；钢中加入Ti、V等生成 TiC、VC可起到细化晶粒的作用。
凝固初期形 成的激冷游 离晶
因浇注温度低，浇注中形成的激冷游离晶
2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离
型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和 增殖——理论基点为溶质再分配。
图 型壁晶粒脱落示意图
2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离
图 枝晶分枝“缩颈”的形成 a) b) c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图。 V为生长方向。d) 分枝缩颈
第一章 液态金属凝固原理
1.4 金属结晶组织和凝固缺陷的控制
1.4.1 铸件典型晶粒组织的形成及其影响因素
铸件的典型晶粒凝固组织（三个 晶区 ）：
表面细晶粒区：紧靠型壁的外壳 层，由紊乱排列的细小等轴晶所 组成，仅几个晶粒厚。
柱状晶区：由自外向内沿着热流 方向彼此平行排列的柱状晶所组 成。
内部等轴晶区：由紊乱排列的粗 大等轴晶所组成 。
• 晶区的形成和转变是过冷熔体独立形核能力和各种形式晶 粒游离、漂移与沉积的程度这两个基本条件综合作用的结 果。决定了铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细。
浇注温度的影响
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1.4.2 铸件晶粒组织的控制
（2）各种形式的晶粒游离（浇注时液体冲刷、液体对流造成）。 • 细化程度取决于 （1）浇注温度、铸型导热能力：浇注温度越高、铸型导热能力
越强，不利于细晶区形成；
（2）合金成分：溶质含量越多，造成“颈缩”，利于细晶区形 成。
（3）非金属夹杂物含量：型壁附近熔体内大量的“非均匀形 核”，利于细晶区形成。
2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离
3）“结晶雨”游离晶
• 液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分枝→ →密度比液体大 →下沉 →产生晶粒游离。
• 多发生在大型铸锭的凝固过程中
• 铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约
• 稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过 渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区 的形成。