金属凝固原理—1-3章 (2)
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金属凝固
第一章液态金属的结构和性质凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。
液态金属凝固学就是研究液态金属转变成固态金属这一过程的理论和技术。
包括定性和定量地研究其内在联系和规律；研究新的凝固技术和工艺以提高金属材料的性能或开发新的金属材料成型工艺。
物质从液态转变成固态的过程就是凝固。
这是从宏观上的定义。
从微观上看，可以定义为物质原子或分子从较为激烈运动的状态转变为规则排列的状态的过程。
液态金属的热物理性质1.体积变化金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加3%～5%。
2．潜热熔化潜热一般只有升华热的3%～7%，即熔化时原子间的结合能仅减小了百分之几。
液态金属的结构特征１）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。
２）特征：“近程有序”、“远程无序”原子间能量不均匀性，存在能量起伏。
原子团是时聚时散，存在结构起伏。
同一种元素在不同原子团中的分布量，存在成分起伏。
金属由液态转变为固态的凝结过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程。
金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。
液态金属的性质1、粘度（二）粘度在材料成形过程中的意义1．对液态金属净化的影响2．对液态合金流动阻力的影响3．对凝固过程中液态合金对流的影响2、表面张力——液体的物性参数（一）表面张力是质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起的。
这就是液珠存在的原因。
当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积增大时，该功的大小则等于系统自由能的增量。
影响液态金属界面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。
金属在凝固过程中强烈搅拌后，即使在较高固相体积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，枝晶被打碎，生成球状微粒结构，具有流变性和触变性，并冠以半固态金属加工技术（Semi-Solid Metal Forming），即SSM。
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
液态金属凝固原理讲解
•竞争淘汰:离开型壁的距离越远， 取向不利的晶体被淘汰得就越多， 柱状晶的方向就越集中，同时晶 粒的平均尺寸也就越大。
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
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
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。
金属凝固原理
晶体中每个原子的振动能量不是均 等的，振动方向杂乱无章。每个原 子在三维方向都有相邻的原子，经 常相互碰撞，交换能量。在碰撞时， 有的原子将一部分能量传给别的原 子，而本身的能量降低了。结果是 每时每刻都有一些原子的能量超过 原子的平均能量，有些原子的能量 则远小于平均能量。这种能量的不 均匀性称为“能量起伏”。由于能 量起伏，一些原子则可能越过势垒 跑到原子之间的间隙中或金属表面， 而失去大量能量，在新的位置上作 微小振动（图 1-3 ）。一旦有机会 获得能量，又可以跑到新的位置上。 原子离开点阵后，留下了自由点 阵——空穴。
三、金属的熔化
实验证明，金属的熔化是从晶界开始的。由于晶界上 原子排列的相对不规则性，许多原子偏离平衡位置， 具有较高的势能。 把金属加热到熔点附近时，离位原子数大为增加。在 外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒间的 相对流动，称为晶界粘滞流动。晶粒内部，也有相当 数量的原子频频跳跃、离位，空穴数大为增加。 接近熔点时，晶界上的原子则可能脱离原晶粒表面， 向邻近晶粒跳跃，晶粒逐渐失去固定形状。
从图1-1可以看出，假设在熔点附近原子间距达到 了 R1 ，原子具有很高的能量，很容易超过势垒而 离位。但是在相邻原子最大引力作用下，仍然要 向平衡位置运动。虽然此时离位原子和空穴大为 增加，金属仍表现为固体性质。
若此时从外界供给足够的能量 —— 熔化潜热，使 原子间距离超过 R1 ，原子间的引力急剧减小，从 而造成原子结合键突然破坏，金属则从固态进入 熔化状态。熔化潜热使晶粒瓦解，液体原子具有 更高的能量，而金属的温度并不升高。
宏观上，物质从液态转变为固态。微观上，激烈运动的液 态原子恢复到规则排列的过程称为凝固。
2 研究对象：
研究液态金属或合金转变为固态金属或合金这一凝固过程 的理论和技术，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。 凝固学是材料成形技术的基础，也是近代新型材料开拓和 制备的基础。
金属凝固原理
作业：8, 12.
习题
第二章 液态金属的充型能力
2-1 液态金属充型能力的基本概念
1. 概念
充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清 晰的铸件的能力。
2.充型能力的决定因素
（1）金属本身的流动性 液态金属的流动能力，金属的铸造性能之一，与金属的
成分、温度、杂质含量、及其物理性能有关。 流动性的作用：排出气体、杂质；补缩、防裂，获得优质
二、金属的加热膨胀
膨胀原因：
（1）原子间距增大： 势能曲线不对称性，图1-2
（2）空穴产生： 能量起伏
三、金属的熔化
1. 熔点附近：离位原子多 熔化始于晶界，晶界原子排列相对不规则，势能 高，离位原子多，空穴数目可达到原子总数10%。
2. 熔点：固态——液态状态突变 （1）外界能量足够大时——熔化潜热，原子间距 离大于R1，原子结合键破坏，固态——液态 （2）性质突变：体积突变；电阻、粘性突变。 3. 熔化实质：规则的原子排列突变为紊乱的非晶 质结构的过程。
第一章 液态金属的结构和性质
§1-1 金属的膨胀及熔化
一、晶体中的原子结合 1. 在一定条件下，金属中的原子具有一定排列， Why? （1）引力：异性电荷间的库仑引力； （2）斥力：同性电荷间的库仑斥力与泡利原理引 起的斥力之和。 2. 图1-1 3. 公式推导证明 特殊点：平衡点（合力为零，势能最小）、引 力最大点。
凝固学 研究从液态 ——固态转变过程的基本理论一门学科 （1）定性/定量揭示液—固转变规律、内在联系； （2）影响因素（金属性能、质量）
液态成形与凝固关系 液态成形过程就是凝固过程
凝固过程的研究对象
液-固相变过程 宏观：液态——固态转变的相变过程； 微观：激烈运动的液相原子——规则排列固相
金属凝固原理——形核知识讲解
第三章 形核§3-1 凝固的
基本热力学条件 §3-2 均质形核 §3-3 异质形核
凝固是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术
的核心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同关注 的问题。 严格地说，凝固包括： （1）由液体向晶态固体转变（结晶） （2）由液体向非晶态固体转变（玻璃化转变）
常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者，本 章主要讨论结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学。
r 3
3
(2
3cos
cos3
)
பைடு நூலகம்
Gv Vs
r3
LS
(2
3cos
cos3
)
得到类似于均质形核的系统自由能变化曲线 （见下图），曲线有一最大值，该值对应的半径
用 r** 表示，称为异质形核的临界晶核半径。
图3.7 均质和异质形核功图
1 2
3
3.1
凝固过程包括：形核过程和晶体长大过程。凝固后的宏观组织由晶粒和 晶界组成
§3-1 凝固的基本热力学条件 一、液-固相变驱动力 二、大量形核的过冷度（T *）
一、 液-固相变驱动力
• 从热力学推导系统由液体向固体转变的 相变驱动力ΔG
图3.2 液-固体积自由能的变化
当 T ＞Tm 时，有：ΔGV = Gs － GL＞ 0
一、异质形核的热力学条件
二、异质形核机理
三、异质形核动力学
一、异质形核的热力学条件
如果液相中存在固相质点，且液相又能润湿质 表面，则液体能在固相质点表面形成新相晶核。
设生核衬底的质点表 面为一平面，在其上生 成一球冠的新相（见右 图）。则系统自由能的 变化为：
G V Gv ( A )
Vs
基本热力学条件 §3-2 均质形核 §3-3 异质形核
凝固是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术
的核心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同关注 的问题。 严格地说，凝固包括： （1）由液体向晶态固体转变（结晶） （2）由液体向非晶态固体转变（玻璃化转变）
常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者，本 章主要讨论结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学。
r 3
3
(2
3cos
cos3
)
பைடு நூலகம்
Gv Vs
r3
LS
(2
3cos
cos3
)
得到类似于均质形核的系统自由能变化曲线 （见下图），曲线有一最大值，该值对应的半径
用 r** 表示，称为异质形核的临界晶核半径。
图3.7 均质和异质形核功图
1 2
3
3.1
凝固过程包括：形核过程和晶体长大过程。凝固后的宏观组织由晶粒和 晶界组成
§3-1 凝固的基本热力学条件 一、液-固相变驱动力 二、大量形核的过冷度（T *）
一、 液-固相变驱动力
• 从热力学推导系统由液体向固体转变的 相变驱动力ΔG
图3.2 液-固体积自由能的变化
当 T ＞Tm 时，有：ΔGV = Gs － GL＞ 0
一、异质形核的热力学条件
二、异质形核机理
三、异质形核动力学
一、异质形核的热力学条件
如果液相中存在固相质点，且液相又能润湿质 表面，则液体能在固相质点表面形成新相晶核。
设生核衬底的质点表 面为一平面，在其上生 成一球冠的新相（见右 图）。则系统自由能的 变化为：
G V Gv ( A )
Vs
第一章 液态金属凝固原理
77
5、低压铸造
五、铸造方法简介
78
五、铸造方法简介
6、离心铸造
离心铸造是指将金属液浇入绕着水平、倾斜或立轴旋转的铸型中，在离心力的作用下，充 填铸型并凝固成铸件的铸造方法。
79
五、铸造方法简介
7、实型铸造
实型铸造又称为气化模铸造或消失模铸造，其原理是采用聚苯乙烯泡沫塑料模样代替普通 模样造型后，模样不取出就浇入金属液，在液态金属热的作用下，模样燃烧、气化而消失 ，金属液取代了模样所占的位置，冷却凝固后即可获得所需要的铸件。
a）结晶温度范围很宽 b）铸件断面温度平坦
18
二、金属的凝固方式
（3）中间凝固 如果合金的结晶范围较窄，或因铸件 断面的温度梯度较大，凝固初期似逐 层凝固——凝固后期似糊状凝固，这 种铸件断面上的凝固区域介于前两者 之间时属于“中间凝固方式”。 中碳钢、白口铸铁等的凝固属于这种 方式。
a）结晶温度范围较窄 b）铸件断面的温度梯度较大
晶核来源
(1)过冷熔体中非均质生核——型壁附近熔体内部的大量生核——必要条件；
(2)晶粒游离——型壁晶粒脱落、枝晶熔断、晶粒增殖等抑制铸件形成稳定的凝固壳层—
—充分条件。
29
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
内部柱状晶区的形成
形成原因
成长方向
30
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
内部柱状晶区的形成
40Cr钢轴锻件 纵向断口氢白点
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
气孔与非金属夹杂
58
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
气孔与非金属夹杂
6） 尽量保证金属液平稳进入铸型以减少金属液产生氧化
59
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
5、低压铸造
五、铸造方法简介
78
五、铸造方法简介
6、离心铸造
离心铸造是指将金属液浇入绕着水平、倾斜或立轴旋转的铸型中，在离心力的作用下，充 填铸型并凝固成铸件的铸造方法。
79
五、铸造方法简介
7、实型铸造
实型铸造又称为气化模铸造或消失模铸造，其原理是采用聚苯乙烯泡沫塑料模样代替普通 模样造型后，模样不取出就浇入金属液，在液态金属热的作用下，模样燃烧、气化而消失 ，金属液取代了模样所占的位置，冷却凝固后即可获得所需要的铸件。
a）结晶温度范围很宽 b）铸件断面温度平坦
18
二、金属的凝固方式
（3）中间凝固 如果合金的结晶范围较窄，或因铸件 断面的温度梯度较大，凝固初期似逐 层凝固——凝固后期似糊状凝固，这 种铸件断面上的凝固区域介于前两者 之间时属于“中间凝固方式”。 中碳钢、白口铸铁等的凝固属于这种 方式。
a）结晶温度范围较窄 b）铸件断面的温度梯度较大
晶核来源
(1)过冷熔体中非均质生核——型壁附近熔体内部的大量生核——必要条件；
(2)晶粒游离——型壁晶粒脱落、枝晶熔断、晶粒增殖等抑制铸件形成稳定的凝固壳层—
—充分条件。
29
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
内部柱状晶区的形成
形成原因
成长方向
30
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
内部柱状晶区的形成
40Cr钢轴锻件 纵向断口氢白点
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
气孔与非金属夹杂
58
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
气孔与非金属夹杂
6） 尽量保证金属液平稳进入铸型以减少金属液产生氧化
59
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
金属凝固原理ppt课件
3、通过大量的实验研究，Chalmers及大野笃美等人 提出“激冷等轴晶游离”理论，Jackson、Southi等 人提出“枝晶熔断”及“结晶雨”理论，以此为指 导可有效控制结晶过程和凝固组织。在这些理论的 基础上，机械及超声波振动、机械及电磁液相搅拌、 孕育处理、变质处理等技术得以发展与推广并仍在 不断改进及完善。
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。
“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”。
1
AR 2
A
DL2
mls( )
3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考 虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶 质再分配方程等理论模型。
4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量 冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概 念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸 造工艺设计的理论依据2 之一。
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。
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。
“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”。
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3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考 虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶 质再分配方程等理论模型。
4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量 冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概 念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸 造工艺设计的理论依据2 之一。
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。
金属凝固原理第3章形核
第三章 形核§3-1 凝固的
基本热力学条件 §3-2 均质形核 §3-3 异质形核
凝固是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术
的核心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同关注 的问题。 严格地说，凝固包括： （1）由液体向晶态固体转变（结晶） （2）由液体向非晶态固体转变（玻璃化转变）
常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者，本 章主要讨论结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学。
液相稳定，不能结晶。当 T ＜ Tm 时，有：
ΔGV = Gs － GL＜ 0 固相稳定，才能结晶。
即：固-液体积自由能之差为相变驱动力
进一步推导可得：
GV H m T Tm
(式中：ΔHm—固液焓变,结晶潜热L = ΔHm ）
Tm及ΔHm对一特定金属或合金为定值，所以过冷 度ΔT是影响相变驱动力的决定因素。过冷度ΔT 越
（负）和阻碍相变的液-固
界面能（正）：
G V GV VS
A SL
0
G
4 r3
3
GV VS
4r 2 SL
● r＜ r*时，r↑→ΔG↑
● r = r*处时，ΔG达到最大 值ΔG*
● r ＞r*时，r↑→ΔG↓
图3.4 液相中形成球形晶胚时自由能变化
•
令：G
/
r
|
r
r
*
0
得临界晶核半径 r*：
2
形核功为：G
16
3
3 SL
VS Tm H m T
2
所以：
G
1 3
A SL
即：临界形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能 0
的三分之一， 它是均质形核所必须克服的能量障
碍。形核功其中一部分由熔体中的“能量起伏”
基本热力学条件 §3-2 均质形核 §3-3 异质形核
凝固是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术
的核心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同关注 的问题。 严格地说，凝固包括： （1）由液体向晶态固体转变（结晶） （2）由液体向非晶态固体转变（玻璃化转变）
常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者，本 章主要讨论结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学。
液相稳定，不能结晶。当 T ＜ Tm 时，有：
ΔGV = Gs － GL＜ 0 固相稳定，才能结晶。
即：固-液体积自由能之差为相变驱动力
进一步推导可得：
GV H m T Tm
(式中：ΔHm—固液焓变,结晶潜热L = ΔHm ）
Tm及ΔHm对一特定金属或合金为定值，所以过冷 度ΔT是影响相变驱动力的决定因素。过冷度ΔT 越
（负）和阻碍相变的液-固
界面能（正）：
G V GV VS
A SL
0
G
4 r3
3
GV VS
4r 2 SL
● r＜ r*时，r↑→ΔG↑
● r = r*处时，ΔG达到最大 值ΔG*
● r ＞r*时，r↑→ΔG↓
图3.4 液相中形成球形晶胚时自由能变化
•
令：G
/
r
|
r
r
*
0
得临界晶核半径 r*：
2
形核功为：G
16
3
3 SL
VS Tm H m T
2
所以：
G
1 3
A SL
即：临界形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能 0
的三分之一， 它是均质形核所必须克服的能量障
碍。形核功其中一部分由熔体中的“能量起伏”
金属凝固原理第2章液态金属的结构和性质
· 热量变化
由表2-1可知，金属的熔化潜热只占汽化潜热的 很小部分（<7.0%），说明其结构接近固态。
2.直接研究方法： 通过液态金属X射线衍 射分析来直接研究金属 的液态结构。
以700℃液态铝的X射线 衍射结构分析为例 （见图2-1）；
X射线所得到液态和固 态金属结构参数见表22。
由图2-1和表2-2分析得出：
影响精炼效果及夹杂或气孔的形成:
金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金属 液中的非金属夹杂物（如各种氧化物及硫化物等）和 气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池中的金属液，
粘度 较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件
残留的（或二次形成的）夹杂物和气泡都应该在金属
完全凝固前排除出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏
·原子集团的平均尺寸和游动的速度与温度有关，
温度越高，其平均 尺寸越小，游动速度越快。 图2-2为不同温度下，液态金属结构示意图。
1200 ℃
1400 ℃
1550 ℃
1700 ℃
图2-2 不同温度下液态金属结构示意图
三、实际液态金属的结构
• “能量起伏” ——各个原子集团的动能不同
• “结构起伏”——液体中大量不停“游动”着的局域
第二章 液态金属的结构与性质
§2-1 液体的分类及其基本特征
一、液体的分类
· 原子液体（如液态金属、液化惰性气体） · 分子液体（如极性与非极性分子液体） · 离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）
二、 液体的表观特征
• 具有流动性 （液体最显著的性质）；
• 可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状 （类似于 气体，不同于固体）； • 不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体的原子或分 子之间的结合力没有固体中强 （类似于气体，不同于固
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。
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熔化潜热只有汽化潜热的3～7％。 液态与固态结构相似，尤在金属过热度不 太高（熔点以上100～300℃）的铸造条件下 更是如此。 2.直接法 X射线或中子线的结构分析研究液态金属的 原子排列情况。图1-4
二、金属液态结构（理想液态/纯金属）
1. （熔化－熔点以上不高的温度范围内）液体状 态的结构特点 （1）原子间结合能较强、平均原子间距增加不大、 原子排列在较小距离内具有规律性； （2）原子间结合部分破坏，原子集团，近程有序 （原子在十几～几百个原子组成的集团内规则排 列）; （3）由于能量起伏，原子集团处于瞬息万变状态； （4）原子集团内，公有电子，金属导电；空穴间， 自由电子跟随正离子运动，离子导电；most金属 熔化时电阻率能突然增加约1～2倍（半导体金属 则减小）。 （5）温度高——原子集团平均尺寸小、“游动”速 度快。
Jackson和Hunt： （1）提出枝晶和共晶合金凝固过程扩散场的理 论解； （2）枝晶、共晶间距与凝固条件之间的关系； （3）试验验证。 Flemings: 考虑凝固过程两相区内的液相流动效应， 提出： 局部溶质再分配方程等理论模型
BEHHHK： 凝固过程的传热问题； 为铸造过程控制的科学化提供理论依据。 Chvorinov： 凝固冷却曲线分析， （1）引入铸件模数概念； （2）建立平方根定律：铸件凝固层厚度— 铸件凝固时间的数学模型。
2. 根据上述特点，提出关于金属液态结构 的理论 （1）空穴理论： 由原子集团（规则排列、近程有序）、 空穴组成，能量起伏大、热运动激烈。 （2）紊乱排列的密集球堆理论（贝纳尔） 液体金属是均质、密集、紊乱排列的原 子集合体。
三、实际金属的液态结构
（1）微观上： 游动原子集团（成分和结构不同）、 空穴和许多固态、气态或液态的化合物组 成，是一种“混浊”的液体；
二、金属的加热膨胀
膨胀原因：
（1）原子间距增大： 势能曲线不对称性，图1-2
（2）空穴产生： 能量起伏
三、金属的熔化
1. 熔点附近：离位原子多
熔化始于晶界，晶界原子排列相对不规则，势能 高，离位原子多，空穴数目可达到原子总数10%。
2. 熔点：固态——液态状态突变
（1）外界能量足够大时——熔化潜热，原子间距 离大于R1，原子结合键破坏，固态——液态 （2）性质突变：体积突变；电阻、粘性突变。
绪论
金属的液态成形与凝固的关系
凝固过程研究的对象 凝固理论的研究进展
金属的液态成形与凝固的关系
液态成形定义： 又称铸造，是将金属熔化——充满型腔（良 好流动性的液态，重力场或其它力（压力、离心 力、电磁力等））——凝固和冷却——铸件（铸 型型腔形状的制品） 液态成形技术（铸造）特点： （1）使用范围广，可生产各种形状和大小的铸件； （2）较高的尺寸精度； （3）成本低廉。
3. 熔化实质：规则的原子排列突变为紊乱的非晶 质结构的过程。
§1-2 液态金属的结构
一、液态金属结构的研究方法 1. 间接法
S－l，S－g转变后物理性质变化，判断原子结合情况； （1）体积和熵值变化 S－l：体积增加3～5％，原子平均间距增加1～ 1.5%； S－g：体积无限膨胀； （2）熔化潜热与汽化潜热 S－l(熔化潜热)：原子结合键破坏百分之几； S－g（汽化潜热）：原子间结合键全部破坏；
凝固学 研究从液态 ——固态转变过程的基本理论一门学科
（1）定性/定量揭示液—固转变规律、内在联系； （2）影响因素（金属性能、质量）
液态成形与凝固关系
液态成形过程就是凝固过程
凝固过程的研究对象
液-固相变过程 宏观：液态——固态转变的相变过程； 微观：激烈运动的液相原子——规则排列固相 化学成分——相图——凝固特性 合金成分确定后，凝固理论与技术研究重点： （1）液体流动； （2）传热； （3）传质。
次点名）＝100％
作业要求：认真回答、方法思路
第一章 液态金属的结构和性质
§1-1 金属的膨胀及熔化
一、晶体中的原子结合 1. 在一定条件下，金属中的原子具有一定排列， Why? （1）引力：异性电荷间的库仑引力； （2）斥力：同性电荷间的库仑斥力与泡利原理引 起的斥力之和。 2. 图1-1 3. 公式推导证明 特殊点：平衡点（合力为零，势能最小）、引 力最大点。
（2）化学键： 金属键、其它多种类型的化学键。
§1-3 液态金属的性质
一、液态金属的粘滞性
1. 粘滞性本质：质点间（原子间）结合力的大小。 （1）动力粘度 a. 液体粘滞流动定律（牛顿）
b. 液态结构理论（弗兰克尔）
（2）运动粘度：
大——惯性大——紊流倾向大
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2. 影响粘度的因素
（1）温度 T0， 反比，T高，小；
本课程内容安排
32学时=28h（讲课）+4h（实验一、二）
第一章 第二章 第三章 第四章
理解 理解 理解、掌握 重点掌握 凝固 液态
第五章 第六章
重点 了解、掌握
固态 凝固新技术
本课程主要任务： 液态金属结晶基本规律; 铸件结晶组织的形成及控制途径
成绩评定：考试80％＋平时20％（作业、5
日本大野笃美： （1）提出晶粒游离和晶粒增殖理论； （2）用动态观点研究和分析凝固过程。 中国西北工业大学： （1）发现凝固组织形态选择的时间相关性和历史相 关性现象； （2）一定条件下，枝晶生长间距不唯一，而是根据 生长历史不同而变化，凝固形态选择具有非平衡 自组织花样特征。 中国科学院沈阳金属研究所： （1）超高压凝固的非晶形成规律； （2）电磁力、离心力、重力叠加作用下的凝固行 为； （3）发现一些新的亚稳定相和具有分形结构的自 组织。
熔体冷却速度——反映凝固条件的重要物
理量
普通凝固——=10-3~102 ℃/s
快速凝固——= 106~109 ℃/s
凝固理论的研究进展
20世纪50年代初，Chalmers; Tiller， Jackson, Rutter 液-固界面形态研究，提出： （1）界面稳定性概念； （2）成分过冷理论： 成分过冷判据，传热、传质因素耦合分析 凝固过程的组织形态问题