液态成型原理

1.3 异质形核
1.3.2 异质形核速率
I均 N * f 0 K1 exp( （
* G均 G A
KT
） ) I异 N * f 0 K1 exp( （
* G异 G A
KT
） )
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
1.3.3 形核控制
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
理论证明： 界面粗糙化时，界面自由能的相对 变化：
△Gs/(NkTm)=αx(1-x)+xlnx+(1-x)ln(1-x)
α=ξLm/(kTm) ξ为晶体学因子，晶面原子密度小， ξ小。 α ≤2时，x=0.5处，界面能最小，粗 糙界面 α ≥5时，x靠近0或1处界面能最小， 光滑界面
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
晶核长大条件：动态过冷、合适的晶核表面结构
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大 1.4.1 液-固界面微观结构
在相变驱动力的驱使下，借助于成分起伏、结构 起伏和能量起伏来克服热力学能障和动力学能障，使 凝固过程得以不断进行，最后完成。
第一章：凝固理论基础
1.2 均质形核
1.2.1 均匀形核热力学
相变驱动力公式推导
（1）晶胚形成时的能量变化
假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液体中出现一个晶胚时，总的自 由能变化： △G＝V△Gv+σS
液态成形原理
金属的凝固原理
一、凝固理论基础 二、凝固组织的形成与控制
三、单向凝固与快速凝固
四、化学冶金与冶金缺陷
第一章：凝固理论基础 1.1 液态金属结晶 1.2 液态金属结晶的动力学条件
1.3 晶体的长大
1.4 单向合金的凝固
1.5 多项合金的凝固
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶
物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质 为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体， 所以它们的凝固过程就是结晶。 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。 金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。
比较均质形核与异质形核的临界晶核半径可以看出，均质 形核与异质形核的临界晶核半径具有相同的表达形式，说 明均质形核与异质形核具有相同的临界半径。
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
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
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.3.3 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
设σLC、 σLS 和σCS分别为液相-晶核、液相-衬底和晶核-衬底之间的 单位界面能；θ为晶核与衬底之间的润湿角，则三个界面张力的平衡 关系为：
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
G异 Vc Gv ACS ( CS LS ) ACL CL
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 1.1.1 结晶的基本规律 一 、液态金属的结构 结构：长程有序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较 小、原子排列较混乱。
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 二、液态金属的性质 1、液态金属的粘滞性（粘度） 1.1 粘度的实质及影响因素 1.2 粘度在材料成形过程中的意义 对液态金 属净化的 影响 对液态合金 流动阻力的 影响 对液态合金 凝固过程中 对流的影响
一、概述
（一）共晶合金的分类及共晶组织特点
规则共晶：层片状、棒状（金属-金属/金属金属间化合物）
非规则共晶：金属-非金属，非金属-非金属： 形态多种多样 （二）近平衡状态下的共晶共生区
① 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶 组织。 ② 形成原因：不平衡结晶；成分位于共晶点附近。 ③ 不平衡组织 由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。 共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.2 晶体的长大机制 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 晶体长大方式：垂直长大，横向长大 1.4.2.1 垂直长大方式 粗糙界面结构，垂直于界面方向长大。 特点：长大速度相当快，过冷度小。 这种机制适用于多数金属。
第一章：凝固理论基础
均匀形核是在过冷液态金属中，依靠结构起伏形 成大于临界晶核 的晶胚，同时必须从能量起伏中获 得形核功，才能形成稳定的晶核 。
第一章：凝固理论基础
1.2 均质形核
1.2.2 均匀形核速率
均质形核速率由两个因素决定：
* G 均 N * N L exp( ) KT
GA f 0 N s vp exp( ) KT
金属凝固总结
热力学条件：过冷度 临界过冷度 条件 结构条件：结构起伏（相起伏） 临界晶核 能量条件：能量起伏 临界形核功
均匀形核：形核率受过冷度影响 方式 非均匀形核：形核率受过冷度、杂质结构 及表面形貌影响 参数：形核率 条件：动态过冷度 垂直长大：粗糙界面 机制 横向长大：光滑界面
晶核的 形成
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 2、液态金属的表面张力 1.1 表面张力的实质及影响因素 表面张力与表面能数值相等，但单位不同， 也即意义不同 1.2 表面张力在材料成形过程中的意义
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 三、液态金属的流动性及充型能力
1、基本概念 流动性(fluidity)：液态金属本身流动的能力。流动性与金属的 成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。表2－1给出了一些合金 的流动性。
1.4 晶体的长大
1.4.2.2 横向长大方式(台阶生长机制) 光滑界面结构，依靠小台阶接纳液态原子。
长大速度较慢，所需过冷度较垂直长大高
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.2.2 横向长大方式(台阶生长机制) • 二维晶核台阶生长机制：均匀形核-二维晶核-横向长大 特点：长大不连续，速度慢 • 晶体缺陷台阶生长机制：依靠螺型位错或孪晶面生长 特点：长大连续，速度较慢
充型能力(mold-filling capacity)：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。即液态金属反映铸型型腔 的能力。充型能力与金属液本身的流动能力及铸型性质等因素有 关。 充型能力与流动性的关系：充型能力是外因（铸型）和内因 （流动性）的共同结果。外因一定时，流动性就是充型能力。
表面上成核的过程。 （凝固形核的主要方式）
形核方式：均匀形核，非均匀形核
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 1.1.2 结晶热力学
液态金属结晶的动力：过冷度
液态金属结晶的阻力：形成新的界面 热力学能障:由被迫处于高自由能过度状态下的
界面原子所产生
动力学能障：由金属原子穿越界面过程所引起
第一章：凝固理论基础
1.2 均质形核
（2）临界晶核半径
r＝rk时,△G最大; r<rk 时 , 晶胚不稳定，难以长大， 最终熔化而消失; r>rk时,晶胚成为稳定的晶核。
第一章：凝固理论基础
1.2 均质形核
临界形核功相当于表面能的1/3，这意味 着固、液之间自由能差只能供给形成临界 晶核所需表面能的2/3，其余1/3的能量靠 能量起伏来补足。
第一章：凝固理论基础
1.2 均质形核
1.2.2 均匀形核速率
* G G A * 均 I N f 0 K1 exp( （ ） ) KT
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
1.3.1 异质形核热力学
异质形核：形核依赖于液相中的固相质点表面发生；液相中的原子集 团依赖于已有的异质固相表面并在界面张力作用下，形成球冠。
（2）过冷度：金属材料的理论结晶温度 (Tm) 与其实际结晶温度To之差 △T=Tm-To
注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在 一定的过冷度下进行。
第三章：液态金属凝固热力学和动力学
3.1 液态金属凝固热力学
二、液态金属凝固 过程中能量的增加 Gd
△G d
GL
GS
a
0 原子位置 凝固过程的吉布斯自由能的变化
属间化合物成分的合金，潜热的影响较大；而对于宽结晶温度范围的
合金，潜热对流动性影响不大。
合金液的粘度
第三章：液态金属凝固热力学和动力学
3.1 液态金属凝固热力学
一、液体金属凝固热力学条件 △Gv=Gl-Gs=(HL-TSL)-(Hs-TSs) =(HL-Hs)-T(SL-Ss)=L-T △S 在Tm点： △Gv=L-Tm △S=0 △S= L/Tm △Gv=L △T/Tm 过冷现象 （ 1 ）过冷：金属的实际结晶温度总是低于 其理论结晶温度的现象。
金属 结晶 理论 晶核的 长大
二维晶核台阶机制
应用：
晶体缺陷台阶机制 形态 平面状长大：正温度梯度，粗糙界面为主 树枝状长大：负温度梯度，粗糙界面 参数：长大速度，与界面结构、过冷度有关
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
胞状晶转变为胞状树枝晶
第六章：多相合金的凝固
第一节 共晶合金的凝固
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 2、液态金属充型能力的计算
F1 KL C1 (T浇 TK） l 2 gH P TL T型
2、Βιβλιοθήκη Baidu态金属充型能力的测试
4. 影响充型能力的因素
三个方面：金属性质方面的因素；铸型性质方面的因素；浇注条件方
面的因素 1. 金属性质方面的因素（流动性的高低）： ������ ������ ������ 纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金：流动性好 具有宽结晶温度范围的合金：流动性不好 结晶潜热：约为液态金属热量的85~90%。对于纯金属、共晶和金
平面生长
树枝状晶体生长示意图
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.3.1 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。 •负温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越低。 固
液
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.3.2 平面状长大形态
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
一个晶粒各个界面长大速度不一致，以平均值表示晶体 长大速率。 晶体长大速率与过冷度的关系：
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.3 晶体的长大形态 长大形态：长大过程中液-固界面的形态。 长大形态有两种：平面状长大，树枝状长大 其取决于：液-固界面结构的类型，界面前沿液相中温度分布
△G m
第三章：液态金属凝固热力学和动力学
3.1 液态金属凝固热力学
二、液态金属凝固过程中的溶质再分配
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶
三、结晶过程
（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）
（2）描述结晶进程的两个参数 形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用 N表示。 长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上 单位时间内迁移的距离。用G表示。
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 两个过程重叠交织
形核
长大
形成多晶体
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 形核：母相（液相）中形成等于或大于一定临界大小
的新相晶核的过程。
临界形核功相当于表面能的1/3，这意 均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的 味着固、液之间自由能差只能供给形成 能量变化获得驱动力，由晶胚直接成核的过程。 临界晶核所需表面能的 2/3，其余1/3的 非均匀形核：在过冷液态金属中，晶胚依附在其他物质 能量靠能量起伏来补足。
稳定长大过程，界面能量始终保持最低。 两种能量低的界面结构：光滑界面，粗糙界面 •光滑界面：液-固界面上的原子 排列较规则，界面处两相截然分 开。微观上界面光滑，宏观上有 若干小平面。 •粗糙界面：液-固界面上的原子 排列较混乱，原子分布高低不平 整，在几个原子厚度的界面上， 液、固两相原子各占位置的一半。 宏观上界面平直。