金属材料的凝固
第五章 纯金属的凝固
r*
体积自由能
r
2 16 2Tm A* 4 (r*)2 2 Lm T 2
1 G * A * 3
2 16 3Tm 1 G* A 2 3( Lm T ) 3
说明：
① 形核功△G*与（△T )2成反比，△T↑，△G*↓； ② 形成临界晶核时自由能仍是增高的（△G*＞0），其增 值相当于其表面能的1/3，即L→S体积自由能差值只补 偿形成临界晶核表面所需的能量的2/3，而不足的1/3则 另需他法；
（1）非均匀形核时的能量变化及形核功
设一曲率半径为r的球冠的晶胚依附于型壁W上形成。
接触角为θ （又称浸润角）。
G GVV A
GVV AL L AM ( M L M )
LM L cos M
AL 2r (1 cos )
非均匀形核的形核功：
* G非 2 16 3Tm * f ( ) ＝f ( )G均 3( Lm T ) 2
* G非
2 16 3Tm * f ( ) ＝f ( )G均 3( Lm T ) 2
讨论： ① θ=0°, f（θ）=0,ΔG*非=0，基底和晶核结构相同，直接 长大，称外延生长；杂质本身即为晶核；
undulation
液态的结构特征：原子排列长程无序，动态短程有序。
5.1.2 纯金属结晶的过冷现象
过冷：
(Supercooling或 Undercooling )
液态材料在理论结晶温度以下仍保持液 态的现象。
理论凝固温度Tm与实际开始凝固温度Tn 之差，即ΔT= Tm - Tn 。
过冷度 ΔT:
5.3.1 均匀形核（homogeneous nucleation）
铸造金属凝固原理介绍课件
凝固缺陷
01 缩孔：金属凝固过程中，由 于体积收缩，导致内部出现 孔洞
02 疏松：金属凝固过程中，由 于气体析出，导致内部出现 疏松多孔的结构
03 偏析：金属凝固过程中，由 于成分不均匀，导致内部出 现成分分布不均匀的现象
04 裂纹：金属凝固过程中，由 于应力过大，导致内部出现 裂纹
铸造方法
01
砂型铸造：利用砂型制作铸 件，成本低，生产效率高
03
压力铸造：利用高压将熔融 金属压入模具，生产效率高， 适用于薄壁铸件
05
连续铸造：利用连续铸造机 将熔融金属连续铸造成铸件， 适用于大批量生产
02
熔模铸造：利用蜡模制作铸 件，精度高，适用于复杂铸 件
04
离心铸造：利用离心力将熔 融金属甩入模具，适用于管 状铸件
05
凝固原理在铸造工艺优 化中的实例分析
02
凝固原理对铸造工艺 的影响
04
凝固原理在铸造工艺优 化中的具体应用方法
06
凝固原理在铸造工艺优 化中的发展趋势
质量控制
01
凝固原理在铸造过 程中的应用
02
凝固原理在金属材料 质量控制中的作用
03
凝固原理在铸造缺 陷检测中的应用
04
凝固原理在铸造工 艺优化中的作用
新材料研究
01
纳米材料：具有高强度、高韧性、耐腐蚀等优良性能
02
复合材料：结合多种材料的优点，提高性能和降低成本
03
生物材料：利用生物技术制备新型材料，如生物陶瓷、生物高分子等
04
智能材料：具有感知、响应和自适应功能的材料，如形状记忆合金、压电材料等
绿色铸造技术
绿色铸造技术是指在铸造过程中减少环境污染、降低 能耗、提高材料利用率的技术。
第四章纯金属的凝固
（二）临界晶核 设晶胚为半径r的球形，形核时总能量变化为： ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
ΔGV-单位体积自由能，σ-比表面能 ΔG是r的函数。
由 Gf(r) 的函数作图可知，在r=rc时△G取 得极大值。
讨论： 1.当r＜rk则晶胚生长 ，将导致体系 ΔG ，晶胚重新熔化而消失。 2.若r＞rk 晶胚r ，体系的ΔG,结晶 自发进行，此时的晶胚就成为晶核
2.金属熔化时的体积变化：大多数金属熔化时体积变化仅为
3％－5％，熔化前后原子间距变化不大，熔化前后原子间结 合力较为接近。
3.金属熔化熵值变化小:
金属熔化时结构变化小，只是相对“无序度”增加.
液态金属结构与固态相似存在近程有序，近程密堆， 远程无序.
二.材料凝固的过冷现象
过冷现象-实际结晶温度低于理论结 晶温度的现象。
假设：晶核是依附过冷液相现成基底B上形成晶核S；
设晶核为半径为r的球缺体；S1为球冠面积； S2为晶核与基底接触的面积； θ为晶核与基体的润湿角。
晶核形成稳定存在的瞬间（不 熔化、长大），三相交点处， 表面张力应达到平衡：
σLB=σSB+σLScosθ
非均匀形核示意图
σLB、σsB、σLs分别为L/B、S/B、L/S间的表面张力
均为自发过程.
结论：过冷是结晶的必要条件， 而 ΔT≥ΔTc是结晶的充分必要条件。
过冷度对临界晶核与 最大相起伏的影响
（五）临界晶核的形核功
ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
将
k
2 GV
代入上式可得：
3
2
G k4 3 L 2 m T T m G 4 L 2 m T T m 化简得
5 第四章 金属的凝固与固态相变
晶核形成： 自发形核（均匀形核）； 非自发形核（非均匀形核）。 晶核长大： 平面状长大； 树枝状长大。
9
4.1纯金属的结晶
形核与长大：
10
4.1纯金属的结晶
树枝状长大
11
4.1纯金属的结晶
影响形核和长大的因素：
过冷度 难熔杂质
12
4.1纯金属的结晶
晶粒度：单位体积或单位面积上的晶粒 数目/晶粒尺寸。晶粒 平衡结晶过程：
ＬＬ＋
25
1.匀晶相图
杠杆定律：结晶过程中的成分变化和两 相相对量的变化。 两相区中Q/QＬ＝ab/bc
26
1.匀晶相图
原因：固相中原子扩散速 度慢，跟不上结晶速度
晶内偏析（属于微观偏析）
枝晶偏析
消除办法：高温扩散退火
27
2.共晶相图
亚共晶合金
44
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M L
L+
(M+N )+ M 冷却 曲线
45
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M
( M+ N )
46
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M 过共晶合金L L+ (M+N )+ N
液相线与固相线之间为 两相区，液相与固相平 衡共存
22
4.2.1二元合金相图与凝固（结晶）
相图的分类： 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 其它相图
第二章 金属材料的凝固与固态相变
两相组织合金的力学和物理性能与成分 呈直线关系变化。
2 .合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动 性最好，缩孔集中，铸造性能好。 锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组 织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力 大。双相组织的合金变形能力差些，特别是 组织中存在有较多的化合物相时。
固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充 分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
2 .共晶相图
(1)相图分析 在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有 三种相，相图中有三个单相区（L、α 、β ）；三个两相区（L+α 、 L+β 、α +β ）；一条三相(L+α +β )共存线（水平线dce）。 dce为共晶线（ c点为共晶点）。 Lc → α d+ β
2.2.3 铸锭(件)的凝固
把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做 铸造。 1.铸锭（件）结晶组织 最典型的铸造结构，整 个铸锭明显地分为三个各具 特征的晶区。 ⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、 晶粒很细的区域。
⑵柱状晶区
⑶粗等轴晶区
2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图
2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
液态金属加工中的凝固控制
液态金属加工中的凝固控制是一个重要环节，因为它对产品的质量和性能有着显著的影响。
通过控制凝固过程，可以确保金属材料得到充分凝固，形成良好的组织和性能。
下面将从三个方面详细介绍液态金属加工中的凝固控制。
一、温度控制在液态金属加工中，温度是影响凝固过程的关键因素之一。
为了确保金属材料充分凝固，需要对加工过程中的温度进行精确控制。
通常，通过使用水冷装置或热管理系统来调节和控制温度。
在加工过程中，温度的波动可能会对金属材料的组织和性能产生不利影响。
因此，需要定期检查冷却系统的运行状况，确保其正常工作。
二、速度控制液态金属加工中的速度控制也是至关重要的。
在金属凝固过程中，过快的加工速度可能会导致金属材料变形或产生裂纹。
因此，需要根据金属材料的性质和加工设备的性能，合理设置加工速度。
同时，在加工过程中还需要密切关注金属材料的流动情况，避免过热或过冷现象的发生。
三、冷却速率控制冷却速率是影响金属材料凝固速度和组织结构的重要因素之一。
通过控制冷却速率，可以调整金属材料的凝固过程，使其达到最佳的性能和组织。
在液态金属加工中，通常使用水冷或空气冷却等方式来控制冷却速率。
通过调节冷却水的流量或空气的压力，可以实现对冷却速率的有效控制。
此外，还可以通过调整模具的结构和形状来改变金属材料的凝固过程，以达到最佳的凝固效果。
总之，液态金属加工中的凝固控制是一个综合性的过程，需要从温度、速度和冷却速率等多个方面进行考虑和控制。
通过精确控制这些因素，可以确保金属材料得到充分凝固，形成良好的组织和性能，从而提高产品的质量和性能。
这需要操作人员具备丰富的经验和专业知识，以及对设备和材料的深入了解。
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。
金属凝固原理习题与答案
金属凝固原理习题与答案金属凝固原理习题与答案金属凝固是材料科学中的重要研究领域，也是金属加工和制备过程中不可或缺的一环。
在金属凝固过程中，涉及到许多基本原理和概念。
本文将通过一些习题来探讨金属凝固的原理，并给出相应的答案。
习题一：什么是金属凝固？答案：金属凝固是指金属在高温下由液态转变为固态的过程。
当金属被加热到其熔点以上时，金属原子开始逐渐失去自由度，形成有序的晶体结构，从而形成固态金属。
习题二：金属凝固的主要原理是什么？答案：金属凝固的主要原理是原子的有序排列。
在液态金属中，原子无序排列，而在固态金属中，原子有序排列成晶体结构。
这是因为在液态金属中，原子具有较高的热运动能量，可以自由移动，而在固态金属中，原子受到周围原子的束缚，只能在晶格中振动。
习题三：金属凝固的过程中有哪些因素会影响晶体的形成？答案：金属凝固的过程中，晶体的形成受到许多因素的影响，包括温度、凝固速率、合金成分等。
温度对晶体的形成有重要影响，较高的温度会使晶体生长得更快，而较低的温度会使晶体生长得更慢。
凝固速率也是影响晶体形成的重要因素，快速凝固会导致细小的晶体形成，而慢速凝固则有利于大晶体的生长。
合金成分对晶体形成也有重要影响，不同的合金成分会导致不同的晶体结构和形态。
习题四：金属凝固过程中，晶体的生长方式有哪些？答案：金属凝固过程中，晶体的生长方式主要有三种：平面生长、柱状生长和体内生长。
平面生长是指晶体在平面上逐渐生长，形成平坦的晶界；柱状生长是指晶体在某个方向上生长，形成柱状晶界；体内生长是指晶体在整个体积内均匀生长，没有明显的晶界。
不同的金属和凝固条件下，晶体的生长方式可能不同。
习题五：金属凝固过程中，晶体的缺陷有哪些？答案：金属凝固过程中，晶体的缺陷主要有晶格缺陷和晶界缺陷。
晶格缺陷是指晶体内部原子的位置偏离理想位置，包括点缺陷（如空位、间隙原子等）和线缺陷（如位错等）。
晶界缺陷是指晶体之间的界面上存在的缺陷，包括晶界错配、晶界位错等。
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。
金属材料凝固过程研究现状与未来展望
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金属材料凝固过程是材料学领域的重要研究内容。
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。
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自 然 之 美
结 晶
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3.1.1 纯金属的结晶现象
(1)纯金属结晶的宏观现象 采用图3-1热分析装置，将熔化的金属缓慢冷却，并
将冷却过程中的温度和时间记录下来，就得到温度─时 间关系曲线即冷却曲线。
3.1.1 纯金属的结晶现象
从冷却曲线可见，纯金属的实际结晶温度(Tn)低于理 论结晶温度(Tm),即结晶过程是在存在ΔT(ΔT=Tm-Tn)的条 件下进行的。这种实际温度低于理论结晶温度的现象称 为过冷。
(2)纯金属结晶的微观现象
在液态金属中,存在着大量尺寸不同的短程有序原子 集团,这种原子集团就是晶胚,它们是不稳定的。当液态 金属过冷到一定温度,具备一定条件时,大于一定尺寸的 原子集团开始变得稳定,而成为结晶核心,又称为晶核。
f = c – p + 1 对于二元合金凝固 c ＝ 2，p ＝ 2时，
此时,相图的横坐标表示成分,纵坐标表示温度。 横坐标两端点分别代表两个纯组元。
二元相图的成分有两种表示方法，分别是质量分 数(w )和摩尔分数(x)。
3.2.2 相图的建立与杠杆定律
(2)相图的建立
计算法 方法
实验法
热分析法 金相分析法 硬度法 X射线分析法 膨胀法 电阻法
步骤（以热分析法为例）
热分析法原理： 相变 —— 热容变化 —— 测冷却曲线出现拐点
，r
2L
Gv
2 LTm
LmT
G
16
2 L
3Gv 2
2
3cos
)
由上式可以确定，非均匀形核时的临界晶核尺寸与均
匀形核临界晶核尺寸相同，而非均匀形核的形核功与接
触角 密切相关。
3.1.3 纯金属的结晶过程
G
16
2 L
3 G v 2
2 3 cos
4
cos3
非均匀形核
L W
r→∞
L W L W
3.1.3 纯金属的结晶过程
(2)晶核的长大
1）液固界面的微观结构
液—固的微观结构有光滑界面和粗 糙界面两种。
粗糙界面在微观上高低不平，有几 个原子间距厚度的过渡层，从宏观上 看界面平整光滑，又称为非小平面界 面，常用的金属都是粗糙界面。
光滑界面液固两相截然分开，固相 表面为基本完整的光滑的原子密排面， 但宏观是由若干曲折小平面组成，因 此又称为小平面界面。
由液体中的能量起伏来提 供。
3.1.3 纯金属的结晶过程
② 非均匀形核
均匀形核 与 非均匀形核的差异
L S
液相与基底
LW
SL
S
L
SW
W
仅有液相与固相界面
固相与基底
3.1.3 纯金属的结晶过程
(1)晶核的形成 ② 非均匀形核
G
(1 3
r3Gv
r 2 L
)(2
3 c os
cos3
)
令
dG / dr 0
吉布斯（Gibbs）相律：
f＝c－p＋1 —— 描述平衡系统中独立可变因素：自由度
f ：自由度 c ： 组元数 p ： 相数
3.2.2 相图的建立与杠杆定律
(1)相图的表示方法 ① 单元系相图的表示方法 ② 二元系相图的表示方法
二元相图的表示常用一个温度坐标和一个成分坐 标,即用一个二维平面图来表示。
普通高等教育“十三五”规划教材
目录
3.1 纯金属的结晶 3.2 合金的结晶 3.3 铁碳合金相图 3.4 凝固组织及其控制
3.1 纯金属的结晶
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 如果液态转变为结晶态材料，这个过程又叫做结晶。
结晶过程是一相变过程， 了解材料的凝固过程,掌握材料的凝固规律,控制材料
0 ，则
r 2 LS
r*
2
GV
将
ΔGv
Lm Tm
T
代入，r* 2Tm
LmT
G均*
16
3(GV
3
)2
G均*
16 3Tm2
3(LmT )2
3.1.3 纯金属的结晶过程
A* 4 (r*)2 16 2
GV2
G均*
1 3
A*
上式表明，形成临界晶核 时液、固相之间的自由能 差只能供给所需要的表面
能的2/3，另外的1/3则需
① 当θ =0o，cos θ = 1
2 3cos cos3 0
4
G 0
固体杂质或型壁成为现成晶核，无核长大
② 当θ =180o， cos θ = －1
2 3cos cos3
1 4
③ 当0o<θ <180o 0 2 3cos cos3 1
4
G G
均匀形核
0 G G
G GL GS
G H TS
ΔG v
Lm
T(
Lm Tm
)
Lm(Tm Tm
T)
Lm Tm
T
结晶的必要条件是：体系
必须存在过冷度。
Tm
T
3.1.3 纯金属的结晶过程
(1)晶核的形成
① 均匀形核
均匀形核是在金属液体中依靠自身的结构均匀自发地
形成核心。
G均 V GV A LS
G均
4
3
令 dG均
dr
r3G 4
(1)相平衡
相平衡是指系统中参与相变过程的各相能够长期 存在而不相互转化时所达到的平衡。
(2)自由度
在一定条件下,平衡体系中可在一定范围内独立变 化而不影响相平衡的变量数目称为自由度。
3.2.1 相平衡与相率
(3)相律 相律是表示在平衡条件下,系统的自由度数、组元
数和相数之间的关系,是系统平衡条件的数学表达式。
3.1.1 纯金属的结晶现象
金属结晶的微观过程是通过形核和晶核长大两个过程 实现的。
3.1.2 金属结晶的热力学条件
根据液固金属自由能G与温度关系曲线如下图可知，
GL=Gs 所对应的温度Tm即理论平衡结晶温度，当T<Tm时， Gs<GL两者之差值即为结晶的驱动力。过冷度越大，结 晶的驱动力也越大，过冷是结晶的热力学条件。
3.1.3 纯金属的结晶过程
2)液固界面前沿液体中的温度梯度
① 正温度梯度
② 负温度梯度
因结晶潜热只能由固相单向散出。界面热量可从液、固两相散失。
3.1.3 纯金属的结晶过程
3)晶体的长大机制 ① 垂直长大机制 ② 二维晶核长大机制 ③ 螺型位错台阶机制
3.1.3 纯金属的结晶过程
4)晶体的生长形态
① 在正的温度梯度下生长的界面形态
a. 光滑界面的情况
b. 粗糙界面的情况
3.1.3 纯金属的结晶过程
4)晶体的生长形态 ② 在负温度梯度下生长的界面形态
3.2 合金的结晶
3.2.1相平衡与相率 相：指材料中具有同一聚集状态、同一晶体结构
和性质并以界面相互分隔的均匀组成部分。
材料的性能与各组成相的性质、形态、分布及数 量等有直接的关系。