金属凝固
金属凝固理论原理及应用
金属凝固理论原理及应用金属凝固理论是指研究金属在固态凝固过程中的组织形态和相变行为的科学原理。
金属凝固理论的研究可以帮助我们了解金属的凝固机理以及改变金属的性质和应用。
以下将从原理和应用两个方面进行详细阐述。
一、金属凝固理论的原理：1. 凝固过程中的相变行为：在金属凝固过程中，会发生相变行为，从液相变为固相。
主要包括凝固核形成、晶体长大及晶粒形核和生长等过程。
凝固核形成是指凝固过程中由于界面能降低而导致固相形成的过程。
晶体长大是指固相晶体的体积逐渐增大。
晶粒形核和生长是指液相金属晶粒在凝固过程中通过固相组织的转变形成新的晶粒。
2. 凝固速率的影响因素：凝固速率是凝固过程中晶体生长速度的量度。
影响凝固速率的因素包括金属的熔点、凝固液体的过冷度、核活化能、晶体生长速度以及固相晶粒形核密度等。
通过调节这些因素，可以改变金属凝固的速率和组织形态，从而影响金属的性质和应用。
3. 相图和凝固曲线的研究：金属凝固过程中，可以通过相图和凝固曲线来了解金属凝固过程中的相变行为和组织形态演化。
相图可以显示凝固温度、成分和组织形态之间的关系，而凝固曲线可以用来研究凝固速率和金属的晶体生长速度。
二、金属凝固理论的应用：1. 金属材料制备：金属凝固理论可以帮助我们了解金属材料制备过程中的相变行为和组织演化规律。
在铸造和凝固过程中，通过调节凝固速率和组织形态，可以获得不同性能和应用要求的金属材料。
例如，通过改变凝固速率可以获得细晶粒或均匀晶粒分布的材料，从而提高材料的强度和韧性。
2. 改善金属材料性能：金属凝固理论的研究可以帮助我们改善金属材料的性能。
例如，通过合适的添加剂和凝固工艺，可以改善金属材料的耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定性等性能。
同时，金属凝固理论也可以指导材料加工过程中的热处理和冷处理，从而进一步提高金属材料的性能。
3. 金属合金设计：金属凝固理论是金属合金设计的重要基础。
通过研究金属合金的凝固机制和相图，可以合理地选择合金元素和调整合金成分，以达到特定的性能和应用要求。
纯金属的凝固
当r>rc旳晶核长大时，虽然系统旳自由能下降，但形成一种
临界晶核本身却要引起系统自由能增长△Gc，所以临界晶核 旳形成是需要能量旳。△Gc称为临界形核功，简称形核功。
当r＝rc时
G
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4 3
(
2
GV
)3
4
(
2
GV
)2
Gc
整顿并代入Lm： Gc
16 3
3(GV ) 2
16 3Tm 2
3(Lm T ) 2
能降低，这些晶胚就成为稳定旳晶核。所以，半径为rc旳晶核
称为临界晶核， rc为临界晶核半径。
令
dG dr
0, 则求出rc的值：
rc
-
2
GV
将 GV
LmT Tm
代入得：
rc
2Tm
Lm T
由此可见
rc
1 T
这阐明随过冷度增长，临界晶核半径 减小，这意味着形核旳几率增长。
12/12/2023
18
均匀形核
一、均匀形核 (Homogeneous nucleation)
形核： 均匀形核 非均匀形核(Heterogeneous nucleation)
均匀形核 液相中各个区域出现新相晶核旳几率相同，又称 均质形核或自发形核。
新相晶核是在母相中均匀地生成旳，即晶核由液相中旳某 些原子团直接形成，不受杂质粒子或外表面旳影响。 非均匀形核 新相晶核优先出现于液相中旳某些区域。
纯金属液体在平衡结晶温 度Tm时，不会结晶。
12/12/2023
温度 T
T
Tm
只有冷却到Tm下列旳某个
Tn
温度才开始形核，而后长 大并放出大量潜热，使温
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从液态到固态的过程，这一过程是金属加工和制造中至关重要的一环。
了解金属凝固原理对于提高金属制品的质量和性能具有重要意义。
首先，我们需要了解金属凝固的基本原理。
金属凝固是由于金属在液态和固态之间的相变所引起的。
当金属被加热至其熔点以上时，金属开始融化成液态，而当温度降低到熔点以下时，金属则开始凝固成固态。
在这一过程中，金属的分子结构和排列发生了改变，从而产生了不同的性质和特征。
其次，金属凝固的过程受到许多因素的影响。
首先是金属的成分，不同种类的金属具有不同的凝固特性，例如铝、铁、铜等金属的凝固温度和凝固速度都有所不同。
其次是金属的冷却速度，冷却速度快则会形成细小的晶粒，冷却速度慢则会形成大块的晶粒。
此外，金属的形状和结构也会对凝固过程产生影响，例如浇铸、锻造、挤压等不同的加工方式会导致不同的凝固结构。
最后，了解金属凝固的原理对于金属加工和制造具有重要意义。
通过控制金属的凝固过程，可以获得理想的金属结构和性能，从而提高金属制品的质量和性能。
例如，通过控制金属的冷却速度和形状，可以获得细小、均匀的晶粒结构，从而提高金属的强度和硬度。
此外，还可以通过添加合金元素和调整工艺参数，来改善金属的凝固特性，从而获得更优异的金属制品。
总之，金属凝固原理是金属加工和制造中至关重要的一环。
了解金属凝固的基本原理和影响因素，可以帮助我们更好地控制金属的凝固过程，从而提高金属制品的质量和性能。
希望本文能够为大家对金属凝固原理有所了解，同时也能够在实际生产中加以应用。
《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。
金属凝固
第一章1金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液态金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。
原因：金属熔化时典型的体积变化∆V V m /(多为增大）为3%~5%,金属熔化潜热m H ∆比其汽化潜热b H ∆小得多，为汽化潜热的1/15~1/30。
2粘度：定义：作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dy dv x /的比例系数。
dy dv x ητ= 相关数学表达式：)exp(203T k U T k B B τδη= 0τ为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为s 1310-） 粘度随原子间距δ增大而降低，以3δ成反比。
3运动粘度为动力粘度除以密度，即ρην/=粘度的影响因素：①金属液的粘度η随结合能U 按指数关系增加；②粘度随原子间距δ增大而降低；③η与温度T 的关系受两方面共同制约，但总的趋势随温度T 而下降。
4粘度在材料成型中的意义：①粘度对层流的影响远比对湍流的影响大。
在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。
当2300>e R 时，为湍流，当2300<e R 时，为层流。
雷诺数Re=ηρνDv Dv =（D 为直接，v 为速度，v 为运动粘度）ρνη速层D R f 32e 32== 2.02.00.2092.0e 092.0）速（湍ρνηD R f == 5流动阻力越大，管道中运输相同体积的液体所消耗的能量就越大，或者所所需压力差也就越大，由此可知，在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。
6夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比ηρρ2)(92r g v B m -=（m ρ为液体合金密度，B ρ为夹杂物或气泡密度） 下沉m B ρρ-(即杂—液）。
7.压力差：对一般曲面σ)11(21r r p +=∆（σ表面张力） 对圆柱形（2r =∞）则p ∆=rσ（式中1r r =）对球形（如液滴）（21r r =）则rp σ2=∆（式中21r r r ==） 9附加压力的意义：铸造过程金属液是否侵入砂型毛细管而形成粘砂，与表面张力σ引起的p ∆有关，金属液与砂型不湿润，有利于防止金属侵入砂型毛细管而形成粘砂，但毛细管直径D 及金属液静压头H 越大，越容易产生粘砂。
金属凝固总结汇报
金属凝固总结汇报金属凝固是指金属从液态转变为固态的过程。
在金属凝固中，分为两个主要阶段：核心形成和晶体生长。
核心的形成是指在透明化温度以下，金属内部亚稳态结构的形成过程。
晶体生长是指核心逐渐长大、形成固态晶体结构的过程。
金属凝固具有高度的复杂性和迷人的特点，对于金属学研究和工程应用有重要意义。
首先，金属凝固的关键因素是温度。
金属在高温下处于液态，温度逐渐降低时，金属分子之间的运动逐渐减慢，金属开始发生结构的重组和重新排列，形成固态结构。
温度的下降或升高都会影响金属凝固的过程和结构，从而影响金属的性质和用途。
此外，温度的不均匀分布也会对凝固过程产生影响，引起金属的非均匀性和缺陷。
其次，金属凝固的速度也是影响金属结构和性能的重要因素。
凝固速度快或慢直接影响到金属晶体的尺寸和形态。
在快速凝固过程中，金属晶体的尺寸较小，晶界密度大，导致金属的强度和硬度增加；而在慢速凝固过程中，晶体尺寸较大，晶界密度小，金属的塑性和韧性增加。
在工程应用中，可以通过控制凝固速度来调节和改善金属的性能。
再次，晶核形成是金属凝固的起始点。
金属凝固前，会出现微小的凝固核，凝固核通过扩散和生长形成晶体。
晶核形成的速度和数量决定了晶体生长的速度和结构的演变。
晶核形成的方式有两种：自发形核和异质形核。
自发形核是指金属内部原子在固态结构相邻的位置形成晶核；异质形核是指金属中的杂质或异物作为起始点形成晶核。
晶核的形成方式直接影响到金属的晶体结构和缺陷。
最后，金属凝固还受到外界因素的影响，如压力和成分。
压力的增加可以促使金属凝固温度的降低，同时影响金属晶体的尺寸和形态。
成分的变化也会对金属凝固过程产生重要影响，不同的金属成分决定了不同的凝固行为和结构特点。
综上所述，金属凝固是一个复杂的过程，涉及到温度、速度、晶核形成、外界因素等多个因素。
了解金属凝固的过程和规律，对于金属学研究和工程应用有着重要意义。
通过调控金属凝固条件，可以获得不同结构和性能的金属材料，满足不同领域的需求，并推动金属学的发展。
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从液态状态转变为固态状态的过程。
在金属凝固过程中，原子或离子以一定的方式排列组合，形成具有一定结构和性能的固态金属晶体。
而金属凝固原理则是指影响金属凝固过程的各种因素和规律。
了解金属凝固原理对于控制金属凝固过程、改善金属凝固组织和性能具有重要意义。
首先，金属凝固的原理主要包括凝固过程中的晶核形成和晶体生长。
在金属液体冷却过程中，当温度下降到一定程度时，金属液体中会出现微小的固态核，这些核心在金属液体中逐渐增多并长大，最终形成完整的晶体结构。
晶核形成和晶体生长是金属凝固的基本原理，也是金属凝固组织形成的基础。
其次，金属凝固的速度对凝固组织和性能有着重要影响。
一般来说，凝固速度越快，晶体的生长速度就越快，晶粒就越细小，晶界就越多，从而提高了金属的强度和韧性。
而凝固速度越慢，晶体生长速度就越慢，晶粒就越大，晶界就越少，金属的强度和韧性就会降低。
因此，控制金属凝固速度是影响金属凝固组织和性能的重要因素之一。
另外，金属凝固还受到金属成分、凝固条件、晶核形态等多种因素的影响。
金属成分的不同会导致晶体结构和性能的差异，凝固条件的改变也会影响金属凝固组织和性能的形成，而晶核形态的不同也会对晶体生长和晶粒形貌产生影响。
因此，在实际生产中，需要根据不同金属的特性和要求，合理控制金属凝固过程中的各种因素，以获得理想的凝固组织和性能。
总的来说，金属凝固原理是一个复杂而又重要的领域，它涉及到金属物理、金属化学、热力学等多个学科的知识。
只有深入理解金属凝固原理，才能更好地控制金属凝固过程，改善金属凝固组织和性能，提高金属制品的质量和性能。
因此，对于金属凝固原理的研究和应用具有重要的理论和实践意义，也是金属材料领域的一个热点和难点问题。
希望通过对金属凝固原理的深入研究，能够为金属材料的发展和应用提供更多的理论支持和技术保障。
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。
金属凝固原理
金属凝固原理
金属凝固原理是物理学中最重要的概念之一，它是指当温度降低到一定程度时，金属内部从液态直接过渡到固态的过程。
这种过程叫做凝固或结晶。
在该过程中，金属内部具有一种特殊的结构，即“金属晶格”。
金属晶格是一种稳定的结构，由许多小空间和原子构成，并且可以承受很大的力。
金属凝固原理是一个相对复杂的概念，涉及到物理学、化学、材料学等多个领域。
它的基本原理是，温度降低时，金属内部产生秩序，原子开始排列形成一种晶格结构，从而使金属变成固态。
金属凝固原理是金属加工工艺中最重要的一环，同时也是材料性能分析的基础。
因此，金属凝固原理的研究和应用对于金属加工工艺的改进和优化具有重要意义。
首先，金属凝固原理的研究依赖于量子力学理论，也就是研究金属晶格中原子的行为。
在量子力学理论的基础上，工程师可以利用计算机模拟金属的凝固过程，进一步探究金属凝固原理。
其次，金属凝固原理的研究也受益于材料科学技术的发展。
如X射线衍射仪（XRD）可以检测金属内部晶格结构的信息，从而更好地理解金属凝固原理。
此外，金属凝固原理的研究也受益于材料工程学的发展。
例如，在实验室中，可以通过不同的温度调节和材料组成，模拟金属凝固过程，以更深入地理解金属凝固原理。
金属凝固原理是物理学、化学、材料学等多个领域的重要内容，其研究对金属加工工艺的改进和优化具有重要意义。
因此，金属凝固原理的研究将会在未来发挥重要作用。
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。
纯金属的凝固
多数金属制品的生产都需要经历熔炼和铸造两 个工艺过程。熔炼是为了获得符合要求的液态 金属。铸造是将液态金属注入铸模中使之凝固 成一定形状，尺寸的固态金属件或金属锭。 结晶：液态金属转变为固态金属晶体的过程。 结晶是铸锭，铸件，金属焊接生产的主要过程。 是材料制备的最主要工艺。 广义结晶定义：聚集态，晶态，非晶态—晶体 的过程。
铸锭中产生收缩孔，分为五类：缩管，均匀收 缩，缩穴，分散缩孔，表面疏松(表面最后凝 固，或有气体疏松)
缩管
单向收缩
缩穴
分散疏松 表面疏松
气泡：一是脱溶出气泡，二是化学反应气泡 1，气泡长大速度比界面生长速度快，则长大 上浮. 2，气泡长大速度和界面生长速度相当则呈蜂 窝状气泡 3，气泡长大速度比界面生长速度慢，则成内 部气泡
1 1 P ( ) r1 r2
该压力会导致固溶体吉布斯自由能增加，
2 尔体积。 r1 r2 纯组元固液两相平衡时，两相的吉布斯自由能 差为： H T S 2 kV 0
S
k
1 1 G ' VS P VS ( ) 2k VS r1 r2 1 1 1
一，液态金属的某些模型
1，准晶体模型：接近熔点时，液态金属中部 分原子的排列方式与固体金属相似，有许多晶 态小集团，可以称为晶胚。大小不等，取向各 异，此起彼伏，瞬息万变，瞬时形成，又瞬时 散开，消失－称为近程排列组态。在液体中出 现的这种结构状态称为结构起伏。 2，非晶体模型：液体金属中的原子相当于紊 乱的密堆球，当中，有着被称为“伪晶核”的 高致密区－－晶胚。 晶核：那些几何尺寸大到一定程度可以稳 定长大而不消失的晶胚。 第一个模型已被X射线衍射分析证实。
金属凝固总结分析报告
金属凝固总结分析报告
在金属凝固的研究中，我们通过实验和分析得出了以下结论。
首先，金属凝固是指在升高温度过程中，金属从液态逐渐过渡到固态的过程。
在凝固过程中，金属原子逐渐排列有序，形成晶体结构，并释放出热量。
其次，金属凝固的过程可分为几个阶段。
首先是液态金属的冷却阶段，在这个阶段中，金属原子的热运动逐渐减弱，使得金属原子能量降低。
随着温度的降低，金属原子逐渐聚集在一起，形成微小的团簇。
接下来是核化阶段，也就是凝固过程的起始点。
在这个阶段，金属原子团簇持续增长，形成固态的核，在固态核周围形成过冷液态金属。
随后是晶化阶段，这个阶段中，过冷液态金属逐渐转变为晶态结构。
由于晶体的结构有序性和周期性，固态金属的密度、硬度等物理性质也会随着晶化的进行而改变。
最后是固态金属的生长阶段，也就是凝固过程的终点。
在这个阶段，固态核逐渐长大，形成完整的晶体结构。
金属原子的排列有序性进一步加强，形成具有特定晶体结构的金属。
此外，金属凝固的速度也会受到一些因素的影响。
其中，温度是最主要的因素之一。
温度越低，金属凝固的速度越慢，固态金属的晶体结构也越完整。
另外，金属的成分和冷却速度也会
对凝固过程产生影响。
综上，金属凝固是一个复杂的过程，涉及多个阶段和因素。
研究金属凝固可以帮助我们了解金属材料的性质和加工过程，对于提高金属的质量和性能具有重要意义。
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。
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从熔化状态向固态转变的过程。
金属凝固是金属加工和制造中的关键工艺之一，对于金属材料的性能和结构具有重要影响。
金属凝固有两种基本模式，分别是平衡凝固和非平衡凝固。
平衡凝固是在金属熔体达到热力学平衡条件下进行的凝固过程。
在平衡凝固过程中，金属熔体的凝固速度较慢，使得晶体有足够的时间进行有序排列，形成结晶的晶格结构。
这种凝固方式下得到的晶体结构一般是均匀、致密的。
而非平衡凝固则是在金属熔体未达到热力学平衡条件下进行的凝固过程，通常是由于快速冷却或其他条件的限制。
非平衡凝固下得到的金属结构通常不具备完整的晶格结构，其中可能包含一些缺陷，如晶界、孪生晶和扩散限制。
金属凝固的主要原理包括热力学原理和动力学原理。
热力学原理研究的是金属凝固的平衡过程和热力学参数，如凝固温度、凝固速度等。
相变热是研究金属凝固的重要参数之一，它是单位质量金属从液态到固态过程中释放或吸收的热量。
相变热的大小直接影响到金属凝固过程的温度和能量交换。
动力学原理研究的是金属凝固的凝固速率和晶体生长行为。
凝固速率与温度梯度成正比，与金属的热导率和定向凝固度有关。
晶体生长通常是以晶核为起点，通过界面扩散分子在凝固过程中不断形成新的晶核，最终形成完整的晶体结构。
在金属凝固中，晶体生长过程是一个重要环节。
晶体生长可以分为表面扩散和体内扩散两种方式。
表面扩散是指晶体表面上的原子或离子通过空间的跳跃来进行扩散，而体内扩散则是指晶体内部的原子或离子通过晶面间的空隙进行扩散。
晶体生长的速度与扩散速率和扩散路径有关，因此扩散是影响金属凝固过程的重要因素之一温度梯度和凝固界面形貌也是金属凝固的关键因素。
温度梯度会导致凝固界面的变形和变动，从而影响到晶体生长和凝固速率。
凝固界面的形貌也对凝固过程有重要影响。
对于非平衡凝固，凝固界面通常是不规则的，形成了一些晶界、孪生晶和其他缺陷。
这些缺陷会影响金属的性能和结构。
除了热力学和动力学原理外，还有其他一些因素也会影响金属凝固的过程。
金属凝固的概念
金属凝固的概念金属凝固是指金属从液态转变为固态的过程。
在凝固过程中，金属的原子或离子通过相互吸引力逐渐排列有序，形成晶体结构。
金属凝固是金属冶金学中的重要过程，对于金属的性能和应用具有重要影响。
金属凝固的基本过程可以分为两个阶段：核化和晶体生长。
核化是指在过冷液体中形成初生晶核的过程，晶体生长则是指这些初生晶核逐渐增长、连接到一起并形成完整的晶体。
这两个过程是金属凝固的关键步骤，也是决定金属凝固结构和性能的重要因素。
核化过程在金属凝固中首先发生。
当金属冷却至过冷液态时，由于存在过饱和现象，晶体的核心形成了一个临界尺寸的“种子”。
这些种子成为晶体生长的基础，进一步生成整个晶体。
初生晶核在液态金属中具有高自由能，因此会通过吸收金属离子或原子来增长尺寸。
一旦形成了初生晶核，晶体生长过程就开始了。
晶体的生长受到两种力的影响：金属内部原子或离子之间的相互吸引力和外部界面力。
内部相互吸引力使得金属原子在晶体内部沿着特定的晶格方向有序排列，形成晶体结构。
外部界面力则是晶体与其周围物质的相互作用力，它们影响晶体生长速率和晶体形态。
晶体生长过程分为两种类型：平面生长和体积生长。
对于平面生长，晶体通过界面和周围液体接触，逐层增长。
这种生长方式通常发生在高温、高过冷度下。
对于体积生长，晶体通过从液态中吸收原子或离子进行增长。
这种生长方式通常发生在低温、低过冷度下。
平面生长和体积生长的比例取决于温度、过冷度和金属的性质。
金属凝固的速率和过程也与一些因素有关。
温度是影响金属凝固速率的重要因素之一。
温度越低，金属原子或离子的热运动越小，凝固速率越快。
过冷度也会影响金属凝固速率。
过冷度越大，晶体生长的驱动力越大，凝固速率越快。
此外，金属的成分和纯度、形态和尺寸等也会对金属凝固过程和结构产生影响。
金属凝固结构的形成受到物理学、热力学和晶体学的影响。
物理学原理解释了金属原子或离子的行为和相互作用力。
热力学原理通过研究凝固时的能量变化和平衡条件，揭示了凝固过程的驱动力。
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
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。
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是一项重要的物理现象，它在很多领域有着重要的应用意义。
凝固过程就是当温度下降到金属的凝固点时，金属从一种液体形态变为固态。
借助对金属凝固原理的理解，我们可以更好地解释金属在这一过程中发生的各种变化。
金属凝固过程是指金属原子内部原子排列结构变化，金属固态相比液态有更高的结构性能，这就是为什么当金属温度低于凝固点时，它就从液态直接变为固态的原因。
同时，密度也会随着温度的逐渐降低而增大。
金属的凝固是一个动态的过程，由于金属原子内部排列结构的改变，其凝固扩散过程会随着温度的降低而增强，金属原子重新排列并形成固态结构。
这种凝固模式可以分为三个主要阶段：空隙间隙态、储存态和融合态。
空隙间隙态是指在凝固温度低于液态点的情况下，金属原子重新排列并形成空隙间隙结构，使得表面空隙率有所增加。
在此状态下，由于表面的空隙率增加，金属原子内部的原子间距也变大，这就有利于金属原子聚集到一起，形成可以更容易冻结的固态结构。
储存态指的是在凝固温度维持在液体状态之上，金属原子逐渐重新排列，形成新的固态结构，但它们仍处于可储存的状态。
可以将这一情况比作一张暂时储存数据，但是还没有执行操作的硬盘，此时金属结构仍处于虚态，不可能正常运转，但也不会因温度的下降而发生任何变化。
融合态就是金属原子重新排列，它们互相融合，形成一个更稳定的固态结构。
在这个阶段，金属原子重新排列，变得更加紧密，并且金属的形状也稳定了下来。
随着温度的持续降低，金属的形状将得到完全的稳定，这是最终的固态结构。
由此可见，金属的凝固是一个动态而复杂的过程，经历着三个主要阶段：空隙间隙态、储存态和融合态，这两个阶段都有其特定的特点和特性，并且影响金属的结构性能。
此外，金属的凝固过程不仅受温度的影响，还受金属的熔点、熔点和晶体结构等因素的影响。
综上所述，金属凝固是一个复杂而动态的过程，它不仅受温度影响，而且还受金属的结构性质等因素的影响。
凝固过程中，金属原子从液态状态逐渐变为固态，形成一些新的结构形态，有助于金属的力学性能。
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第一章1金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液态金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。
原因：金属熔化时典型的体积变化∆V V m /(多为增大）为3%~5%,金属熔化潜热m H ∆比其汽化潜热b H ∆小得多，为汽化潜热的1/15~1/30。
2粘度：定义：作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dy dv x /的比例系数。
dy dv x ητ= 相关数学表达式：)exp(203T k U T k B B τδη= 0τ为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为s 1310-） 粘度随原子间距δ增大而降低，以3δ成反比。
3运动粘度为动力粘度除以密度，即ρην/=粘度的影响因素：①金属液的粘度η随结合能U 按指数关系增加；②粘度随原子间距δ增大而降低；③η与温度T 的关系受两方面共同制约，但总的趋势随温度T 而下降。
4粘度在材料成型中的意义：①粘度对层流的影响远比对湍流的影响大。
在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。
当2300>e R 时，为湍流，当2300<e R 时，为层流。
雷诺数Re=ηρνDv Dv =（D 为直接，v 为速度，v 为运动粘度）ρνη速层D R f 32e 32== 2.02.00.2092.0e 092.0）速（湍ρνηD R f == 5流动阻力越大，管道中运输相同体积的液体所消耗的能量就越大，或者所所需压力差也就越大，由此可知，在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。
6夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比ηρρ2)(92r g v B m -=（m ρ为液体合金密度，B ρ为夹杂物或气泡密度） 下沉m B ρρ-(即杂—液）。
7.压力差：对一般曲面σ)11(21r r p +=∆（σ表面张力） 对圆柱形（2r =∞）则p ∆=rσ（式中1r r =）对球形（如液滴）（21r r =）则rp σ2=∆（式中21r r r ==） 9附加压力的意义：铸造过程金属液是否侵入砂型毛细管而形成粘砂，与表面张力σ引起的p ∆有关，金属液与砂型不湿润，有利于防止金属侵入砂型毛细管而形成粘砂，但毛细管直径D 及金属液静压头H 越大，越容易产生粘砂。
gH D c ρσ4= 12液态金属停止流动机理： 1纯金属、共晶成分合金及温度范围很窄的合金，（在金属的过热过量未散失尽以前为纯液态流动，为第一区。
金属继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，而后的金属液是在被加热了的管道中流动，冷却强度下降，为第二区。
第三区是未被完全融化而保留下来的一部分固相区，在该区的终点金属液耗尽了过热过量，第四区液相和固相具有相同的温度——结晶温度） 2结晶温度范围很宽的合金，在过热过量未散失尽以前，金属液也可以纯液态流动。
温度下降到液相线以下时，液流中析出晶体，顺流前进，并不断长大。
液流前端不断与冷的型壁接触，冷却很快，晶粒数量最多，使金属液的粘度增加，流速减慢。
当晶粒数量达到某一临界数量时，便结成一个连续的网络。
当液流的压力不能克服此网络的阻力时，即发生堵塞而停止流动。
13影响充型能力的因素：1金属性质方面的因素，（对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物之处流动性最好，当液流前端的枝晶数量达到某一临界值时15%~20%，金属液就停止流动）2铸型性质方面的因素（金属型的蓄热系数b2是砂型的十倍或数十倍以上），3浇注条件方面的因素，(浇注温度越高、充型压头越大，则液态金属的充型能力越好）4铸件结构方面的因素，（即使在铸件材质、铸件性质及浇注条件相同的情况下，同体积的折算厚度越大，由于与铸型接触的表面积小，散热较缓慢，因而液态金属的充型能力越好)14提高充型能力：1正确选择合金成分。
（调整成分到共晶成分附近，或结晶温度范围小的合金，或者对合金进行变质处理，细化晶粒，改变枝晶形态。
2合理的熔炼工艺（原材料去锈，去污，减少非金属夹杂物和气体。
脱氧时先加锰铁，再加硅铁。
高温出炉，低温浇注）1不稳定温度场：不仅在空间上变化并且也随时间变化的温度场。
2热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射。
热传导：在连续介质内部或相互接触的物体之间不发生相对位移而仅依靠分 子、原子及自有电子等微观粒子的热运动而产生的热量传输称为热传导。
热对流：由流体各质点间的相对位移而引起的热量转移方式称为热对流。
热辐射：由于物体内部原子振动而发出的一种电磁波的能量传递。
3铸造过程中液态金属在充型时与铸件间的热量交换以对流为主。
4研究铸件温度场的方法有解析法、数值法、实测法。
5金属型铸型由于具有良好的导热性能，因此铸件的凝固、冷却速度变快。
而砂型铸型的导热性能较差，在界面两侧形成了截然不同的温度分布形态。
6铸件的凝固时间：指从液态金属充满型腔后至凝固完毕所需要的时间。
7金属凝固的平方根定律22K ξτ= KR =τ（K 为凝固系数，ξ为大平板厚度的一半，R 为铸件的折算厚度也成为模数,t 为凝固时间）8铸件凝固方式分类：逐层凝固、体积凝固、中间凝固。
（低碳钢近于逐层凝固方式，中碳钢为中间凝固方式，而高碳钢近于体积凝固方式）9铸件凝固方式的影响因素：1合金凝固温度区间的影响。
在铸件断面温度梯度相近的情况下，固液两相区的宽度取决于铸件合金的凝固温度区间的大小。
2温度梯度和影响。
当温度梯度较大时，固液两相区较窄，合金近于逐层凝固方式凝固；当温度梯度较为平坦时，固液两相区明显加宽，合金近于体积凝固方式。
第三章1相变驱动力：根据热力学原理，相变是系统自由能由高到低变化的过程，新相与母相的体积自由能之差Gv ∆即为相变驱动力。
2TmT Hm Gv ∆∆-=∆（Hm ∆为熔化潜热Tm 平衡凝固点（过冷度T ∆越大，Gv ∆越大） 3溶质平衡分配系数K0定义：特定温度*T 下固相合金成分浓度*S C 与液相合金成分浓度*LC 达到平衡时的比值。
**=L S C C K 0 K0＜1时，K0越小，成分偏析越严重。
K0＞1，K0越大，成分偏析越严重。
4均质形核：指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，亦称“自发形核”。
非均质形核：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程。
3、5均质形核与非均质形核的形核功、形核半径、形核率的计算（熟记公式） 均质形核：①形核半径 ∆T∆H T =∆-=m m S LS V S LS V G V r σσ22* ②形核功23*)(316∆T ∆H T =∆m m S LS hoV G σπ ③形核率 )exp()exp(*KT G KT G C A ∆-∆-=I 非均质形核：①形核半径 ∆T∆H T =∆-=m m S LS V S LS he V G V r σσ22* ②形核功 *3*)cos cos 32(41ho heG G ∆+-=∆θθ (临界晶核半径*r 与过冷度T ∆成反比，即T ∆越大（温度越高），则*r 越小） 6更具Jackson 提出的理论，从原子尺度看固—液界面的微观结构可分为两类粗糙界面，光滑界面。
Jackson 因子a 可作为液—固微观界面结构的判据：凡a ≤2的物质，晶体表面有一半空缺位置时自由能最低，此时的固—液界面形态被称为粗糙界面，大部分金属属于此类，a>5的物质凝固时界面为光滑面。
7晶体生长方式：1连续生长，2台阶方式生长（①形成二维晶核，②螺型位错③孪晶面8晶核很少按二维晶核生长方式进行原因：在小的过冷度下具有光滑界面结构的物质，其生长方式按螺旋位错方式进行，而以二维晶核方式进行生长是不可能的；过冷度很大时，又易于按连续方式生长，这时二维晶核生长方式也是不可能的。
第四章 单相及多相合金的结晶（论述与计算）1、溶质再分配定义：溶质在液固两相重新分配的现象。
2正常偏析方程：)1(000)1(-*-=K s S f C K C )1(00-*=K L L f C C2、凝固过程中溶质再分配包括：平衡条件下的溶质再分配、固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质再分配、固相中无扩散而液相中只有有限扩散的溶质再分配、液相中部分混合的溶质再分配四种。
3、共晶成分所占比例的计算：Scheil 公式（66P ）)1(0*)1(00*00)1(--=-=K L L K S S f C C f C K C4、成分过冷的定义：凝固过程的溶质再分配引起姑爷界面前言的溶质富集，导致界面前沿熔体液相线的改变而可能产生所谓的“成分过冷”。
5、成分过冷的判据：000)1(K K D C m R G L L L -< 6、有助于形成“成分过冷”的因素：① 液相中温度梯度L G 小，即温度场不陡；②晶体生长速度快（R 大）；③液相线斜率L m 大；④原始成分浓度0C 高;⑤液相中溶质扩散系数L D 低；⑥大时，小；时，000011K K K K ><。
7、随“成分过冷”程度的增大，固溶体生长方式由无“成分过冷”时的“平面晶”依次发展为：胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶（自由树枝晶）。
8、胞状晶形成过程：成分过冷一旦使平面晶界面破坏显微组织就会出现胞状晶9、柱状树枝晶的形成过程：对于溶质量少的或凝固温度范围很宽的合金，其晶体生长形貌为主干上长出短而密的二次分枝，这样不断分枝的结果，在成分过冷区迅速形成了柱状树枝晶的骨架。
10、等轴晶的形成过程：当固液界面前方成分过冷的最大值大于熔体中非均质生核最有效衬底大量生核多需要的时间，在柱状树枝晶由外向内生长的同时，界面前方这部分熔体将发生大量的生核，导致许多独立的晶体在过冷熔体中的自由生长，形成方向各异、但各生长方向尺度相近的等轴树枝晶。
11、外生生长：由外向内单向延伸的生长方式称为外生生长。
12、内生生长：等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式称为内生生长。
13、共晶组织分为以下三种情况：①共晶成分的合金，在冷却速度较快时，不一定能得到100%的共晶组织，而是得到亚共晶或过共晶组织；②有些非共晶成分的合金，在冷却速度较快时反而得到100%的共晶组织；③有些非共晶成分的合金，在一定的冷却速度下，既不出现100%的共晶组织，也不出现初晶+共晶的情况，而是出现“离异共晶”。
14、非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长。
15、出现离异共晶组织的原因：①由于系统本身的原因：合金成分偏离共晶点很远，初晶相长得很大，共晶成分的残留液体很少，类似于薄膜分布于枝晶之间。
共晶转变时，一相就在初晶相的枝晶上继续长出，而把另一相单独留在枝晶间；②由另一相的生核困难所引起：即另一相不能以初生相为衬底而生核，或因液体过冷倾向大而使该相析出受阻时，初生相就继续长大而把另一相留在枝晶间。
16、成片状共晶组织的形核及长大：见教材P最后一段。
8417、如果一相的体积分数小于π1时，该相将以棒状结构出现；如果体积分数在1π之间时，两相均以片状结构出现。