金属凝固理论-1_凝固热力学

熔体的结构信息
探索凝固的微观机制
液体的原子扩散系数、界 面张力、传热系数、结晶 潜热、粘度等性质 热力学因素影响外，反应 物和生成物在金属熔体及 渣相中的扩散速度
成分偏析、固-液界面类型及 晶体生长方式
铸造合金及焊接熔池的精炼 （除有害杂质和气体的效果 ） 15
1. 液态金属的结构与性质
研究金属凝固理论的作用
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1. 液态金属的结构与性质
固体金属的加热膨胀与熔化
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1. 液态金属的结构与性质
实际液态金属的微观结构特点
能量起伏 液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也 会随时间而不停变化，出现时高时低的现象 结构起伏
指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断分化组合，由于“能 量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另 一些原子组合到该团簇中，这样此起彼伏，不断发生着的涨落过程，似乎团 簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着 改变的现象
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1. 液态金属的结构与性质
液态金属粘度的影响因素
η=
2k B T
δ3
τ 0 exp
U k BT
(3) η 与温度T 的关系：受两方面（正比的线性关系和负的指数 关系）共同制约，总的趋势随温度 温度 T增加而下降。 原子间距
虚线：计算值； 实线：不同研究者实验结果
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1. 液态金属的结构与性质
液体的性质
物理性质：密度、粘度、电导率、热导率和扩散系数等； 物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热、 表面张力等； 热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它
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1. 液态金属的结构与性质
液体的结构和性质与凝固成形的关系
液体界面张力、潜热等性质 形核及晶体生长的热力学
粘度常用表达式
η=
2 k BT
δ3
U τ 0 exp k BT
式中：KB ——Bolzmann 常数； U ——无外力作用时原子之间的结合能（或原子扩散势垒） T —— 热力学温度 τ0 ——原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为10-13 秒） δ —— 液体各原子层之间的间距
10 0 0
0 90
85 0
80 095 90 0 0 1 0 00 850800 900源自950105050
50 10
11 00
1000
10 50
1000
10 50
10 00
950
0
11 00
0 11 0
10 00 850
0 10 5
950800 900
10 00
850 900
-50
10 50
10 00
《金属凝固及连铸》本科课程
金属凝固及连铸
— 金属凝固理论
龙木军
重庆大学材料科学与工程学院 2014年9月
1
凝
固
水
冰
过程！
钢液 钢坯
过程！
液态到固态的过程，对性能、质量的影响至关重要！
2
凝固传热
凝固
传热
3
凝固传热
数学建模？
∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T ∂T λ ∂x 2 + λ ∂y 2 + λ ∂z 2 + q = cρ ∂τ
浓度起伏 在多组元液态金属中，由于同种元素及不同元素之间的原子间结 合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原子排挤 到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成 分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化的现象
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1. 液态金属的结构与性质
液体的粘度
油
水
22
1. 液态金属的结构与性质
0 080 50 0 9 9
0 95
-100
90 0
-150 0 50
85 0
850
0 85
800 100 150 200 250
6
① 凝固热力学 ② 凝固动力学 ③ 单相合金的凝固 ④ 多相合金的凝固 ⑤ 凝固过程中液态金属的流动 ⑥ 铸件凝固组织控制
7
《金属凝固与连铸》本科课程 金属凝固理论部分 —
凝固热力学
龙木军
重庆大学材料科学与工程学院 2014年9月
8
内
容
凝固热力学的主要任务：
金属凝固过程中各种相变的热力学条件； 平衡或非平衡条件下的固液两相或固液界面的溶质 成分； 溶质平衡分配系数的热力学意义及压力、晶体曲率 的影响等。
9
内
容
1. 液态金属的结构与性质 2. 二元合金的稳定相平衡 3. 溶质平衡分配系数 4. 液-固相界面成分及界面溶质分配系数
物理意义：
表示作用于液体表面的外加切应力大小与垂直于该平面方 向上的速度梯度的比例系数。是液体内摩擦阻力大小的 表征。
粘度的量纲及单位：
量纲为M·L-1·T-1；常用单位Pa·S 或mPa·S。工业上动力 粘度单位用泊来表示，即1克/厘米·秒=1泊。
钢液的粘度：~7×10-3 Pa·S
24
1. 液态金属的结构与性质
31
1. 液态金属的结构与性质
粘度对金属浇注成形的影响

影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：
各种精炼工艺，希望尽可能彻底脱去金属液中的非金属夹杂 物（如各种氧化物及硫化物等）和气体。夹杂物和气泡的上浮速 度与液体的粘度成反比，粘度η 大时，夹杂或气泡上浮速度小。

影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧：
液体的表面张力
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1. 液态金属的结构与性质
液态金属的表面张力
表面张力：平行于表面切线且各方向大小相等的宏观张力。或者
说促使液体表面收缩的力。表面张力使液面尽可能收 缩成最小。
单位：SI制单位为牛顿/米（N/m），
常用单位是达因/厘米（dyn/cm）。1dyn/cm = 1mN/m
产生原因：由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体
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1. 液态金属的结构与性质
液态金属粘度的影响因素
η=
2k B T U τ 0 exp k T B
δ3
(1) 粘度η 随原子间结合能U 按指数关系增加：这可 以理解为，液体的原子之间结合力越大，则内摩 擦阻力越大，粘度也就越高。 (2) 粘度随原子间距δ增大而降低，与 δ 3 成反比。
结构
性质
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1. 液态金属的结构与性质
液体与晶体、气体结构的区别
晶体 平移、对称性特征（长程有序） --- 原子以一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上， 同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动 气体 液体 完全无序 --- 分子不停地作无规律运动 长程无序 --- 不具备平移、对称性； 近程有序 --- 相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游 荡”着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围 的有序性
在特定边界条件下求解方程。
差分法、有限元法……
借助软件平台求解方程!!
4
凝固传热
商用软件平台：
Ansys、Fluent、Abqus、Marc、ProCAST……
5
凝固传热
自编程开发：
Visual C++、 Visual Basic、 Matlab ……
1100 150
0 85
100
95 0
0 80
ν
η
Re＞2300 时：为紊流 Re＜2300 时：为层流
圆形管道的流动阻力系数 f :
32 32η 0.092 0.092η 0.2 f= = = f紊 = 层 0.2 Re Dυρ Re 0.2 D υρ ( )
流动阻力愈大，在管道中输送相同体积的液体所消耗的能量就 愈大，或者说所需压力差也就愈大。
− 防止金属制品产生宏观缺陷 − 有效控制金属的凝固组织 − 把金属凝固过程的控制和工艺设计引向现代科学的道路 − 把外部工艺条件和凝固的微观过程结合起来，使金属制 品的质量和性能推向更高的水平
16
1. 液态金属的结构与性质
液态金属结构的研究方法
间接方法：通过固态—液态、固态—气态转变 后物理性质变化判断原子结合状况； 直接方法：X射线衍射（或中子线）进行结构 分析。
液态金属的粘度
粘度：又称粘度系数。液体流动时，在其分子间产生内摩擦的性质，称为液
体的粘性。粘性的大小用粘度来表示。是用来表征与液体性质相关的阻力因 子。牛顿数学关系式定义：
z
dvx τ =η dy
dy η =τ dvx
τ
O
δ
v2
v3
v1
x
v4
...
y
v5
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1. 液态金属的结构与性质
液态金属的粘度
η
ａ）液态镍
ｂ）液态钴
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1. 液态金属的结构与性质
液态金属粘度的影响因素 (合金)
M-H模型：
Hm η= ( x1η1 + x2η2 ) 1 − 2 RT
η1——纯溶剂的粘度；η2——溶质的粘度； X1、X2 分别为纯溶剂和溶质在溶液中的摩尔分数； R 为气体常数；H m 为两组元的混合热。 如果混合热H m为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上 升（H
表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现象。虽然表面张 力与表面自由能是不同的物理概念，但其大小完全相同，单位也可 互换： 在分析处理具体问题时，可根据需要选择理解表面自由能和表 面张力。在用热力学方法处理表面时，可用表面自由能表示；在作 表面相分子的受力分析时，可用表面张力表示
在铸造合金熔炼及焊接过程中，冶金化学反应均是在金属液与 熔渣的界面进行的。金属液和熔渣中的动力学粘度η 低，有利于扩 散去除金属中的杂质元素。