金属凝固原理作业

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金属凝固原理

金属凝固原理
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。
第一节 单向凝固工艺 第二节 单晶生长 第三节 柱状晶的生长 第四节 自生复合材料
第八章 快速凝固
第一节 快速凝固技术及其传热特点 第二节 快速凝固的热力学 第三节 快速凝固的动力学及界面形貌稳定性 第四节 快速凝固晶态合金的显微结构特征与 应用 第五节 快速凝固的非晶态合金
绪论
研究对象
1 凝固:
两个原子的相互作用势能 W(R) 的曲线如图 1-1b 所示。可 用下式计算相互作用力,当 R 增加 dR 时,力 F 就靠势能 W(R)减小作外功FdR。因此得到: 或 当R=R0 时,F(R0)=0,即 对应于能量的极小值,状态稳定。原子之间倾向于保持一 定的间距,这就是在一定条件下,金属中的原子具有一定 排列的原因。当R=R1时,吸引力最大,即
第二章 凝固热力学
第一节 液态金属结构 第二节 二元合金的稳定相平衡 第三节 溶质平衡分配系数 第四节 液-固相界面成分及界面溶质
分配系数
第三章 凝固动力学
第一节 自发形核 第二节 非自发形核 第三节 固-液相界面结构 第四节 晶体生长方式
第四章 单相合金的凝固
第一节 凝固过程的溶质再分配 第二节 金属凝固过程中的“成分过冷” 第三节 界面稳定性与晶体形态 第四节 胞晶组织与树枝晶 第五节 微观偏析 第六节 固-液界面非线性动力学理论
表1-1 一些金属的熔化潜热和汽化潜热的比较

铸造金属凝固原理介绍课件

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。

金属凝固原理与缺陷组织分析综合实验

金属凝固原理与缺陷组织分析综合实验

金属凝固原理与缺陷组织分析综合实验金属凝固原理与缺陷组织分析是材料科学和工程领域的重要实验之一。

这个综合实验通常包括以下内容:
1.金属凝固原理实验:通过熔融金属的凝固过程,研究金属在冷却过程中晶体生长、晶界形态和晶粒尺寸等方面的变化。

可以采用光学显微镜观察金属样品的凝固结构,记录和分析凝固时产生的晶体相、晶粒形貌和晶界特征。

2.缺陷组织分析实验:通过对金属样品的金相显微镜观察及图像分析,探索金属内部的缺陷组织,包括晶粒边界、位错、夹杂物等。

这些缺陷会对材料的力学性能、耐蚀性、断裂行为等产生影响。

根据金属的类型和研究目的,可能还需要使用扫描电子显微镜(SEM)等设备进行更详细的观察和分析。

此外,实验中可能还包括取样准备、试样切割、研磨、腐蚀处理等前处理步骤,以及金属结构的定量分析和数据处理。

请注意,具体的实验内容和操作步骤会因不同的实验室、课程或研究项目而有所不同。

金属凝固原理

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。

金属凝固原理

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。

金属凝固原理范文

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。

金属凝固原理第2章液态金属的结构和性质

金属凝固原理第2章液态金属的结构和性质

E W S

E S
(不考虑摩擦力)
2
J / m
于是得到表面张力的另一个意义是:表面张力可
以看作是液膜上单位面积的能量。
(3)表面张力与润湿角
润湿θ角是衡量界面张力的标志
界面张力达到平衡时,存在下列关系:
SG LS LG cos SG LS cos LG
·液态金属中,原子间结合力仍很强,平均原子间
距增加不大。
·液态金属结构为“近程有序”,即由10几个至几 ·原子集团的热运动很强,能量起伏大,原子集团 是瞬时的,游动的。
百个原子形成的集团所组成,在每一个原子集团 内原子排列是有序的。
·原子集团之间的距离较大,存在“空穴”,“空
穴”中可能有游离原子、杂质原子,也可能由裂 纹或气泡构成。“空穴”也是瞬时的,游动的。
· 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:
伏和浓度起伏。
§2-3 液态金属(合金)的性质
液态合金有各种性质,与材料成形过程 关系特别密切的主要有两个性质: 一、液态金属(合金)的粘度
二、液态金属(合金)的表面张力
一、液态金属(合金)的粘度
1. 液态合金的粘度及其影响因素 2. 粘度在材料成形中的意义
1.液态金属的粘度及其影响因素 (1)粘度的定义及意义
体);
• 具有自由表面 (类似于固体,不同于气体); • 液体可压缩性很低 (类似于固体,不同于气体)。

金属凝固原理

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。

重庆大学 金属凝固原理 第7章 金属凝固的宏观组织与凝固方式

重庆大学 金属凝固原理 第7章 金属凝固的宏观组织与凝固方式

合理的浇注工艺 冷却条件的控制
图7.14
合理的浇注工艺
• 浇注温度
合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得 及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇 注温度将降低液态金属的流动性,导致 浇不足和冷隔等缺陷的产生。
• 浇注方式
通过改变浇注方式强化对流对型壁激 冷晶的冲刷作用,能有效地促进细等 轴晶的形成。但必须注意不要因此而 引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸 件产生相应的缺陷。
铸型中间顶注
沿型壁单孔顶注
沿型壁六孔顶注
图7.15 不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织
图7.16 低温铸造
图7.17 水流冷却的斜板浇注方法
冷却条件的控制
• 控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷, 从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高的 冷却速度V冷可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而 言,除薄壁铸件外,这二者不可兼得。
图7.20 超声波振动结晶
(3)液相搅拌
连采铸用过机程械采用搅电拌磁、搅电拌磁的主搅要拌作或用气是泡提高搅连拌铸均坯可的造质量成,液例相如相去对除夹固杂相物、
消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的
铸的坯运以动及,浇铸引质起量枝要晶求的较高折时断,、电破磁碎搅拌与技增术殖便,成达为首到选细。化晶粒的目的。
图7.5 晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离
图7.6 游离晶体的生长、局部熔化与增殖
(3)枝晶分枝的熔断脱落 ● 枝晶生长时,其分枝也因成分过冷而形成细的“脖 颈”, 遇高温液体时,产生熔断脱落。
图7.7 枝晶分枝“缩颈”的形成 a)、b)、c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图(虚线表示溶质富 集层,V为枝晶生长方向) d)环己烷(Cyclohexane)的枝晶,可明显 看出分枝的缩颈

金属凝固原理复习题答案

金属凝固原理复习题答案

金属凝固原理复习题答案一、填空题1. 金属凝固过程中,液态金属转变为固态金属的过程称为__凝固__。

2. 金属凝固时,晶体生长的方式主要有__逐层生长__和__非逐层生长__两种。

3. 金属凝固过程中,晶粒的大小取决于__冷却速度__和__杂质含量__。

4. 金属凝固时,晶界移动的方式主要有__扩散控制__和__界面反应控制__。

5. 金属凝固过程中,冷却速度越快,形成的晶粒越__细小__。

二、选择题1. 金属凝固时,晶粒大小与冷却速度的关系是(C)。

A. 无关B. 正比C. 反比D. 无规律2. 金属凝固过程中,晶界移动的方式中,扩散控制是指(A)。

A. 晶界移动速度取决于原子在晶界上的扩散速度B. 晶界移动速度取决于界面反应速率C. 晶界移动速度取决于冷却速度D. 晶界移动速度取决于晶粒大小3. 金属凝固时,逐层生长和非逐层生长的主要区别在于(B)。

A. 晶粒大小B. 晶体生长方式C. 冷却速度D. 晶界移动方式4. 金属凝固过程中,影响晶粒大小的因素不包括(D)。

A. 冷却速度B. 杂质含量C. 晶种数量D. 金属的熔点三、简答题1. 简述金属凝固过程中的热传导过程。

金属凝固过程中,热量主要通过热传导的方式从固态金属向液态金属传递,直到液态金属完全转变为固态金属。

在这个过程中,金属的冷却速度和热量传递效率对晶粒大小和金属的微观结构有重要影响。

2. 金属凝固时,晶界移动的两种方式有何不同?晶界移动的两种方式,扩散控制和界面反应控制,主要区别在于晶界移动的速率控制因素。

在扩散控制下,晶界移动速度取决于原子在晶界上的扩散速度;而在界面反应控制下,晶界移动速度则取决于界面反应速率。

这两种方式决定了晶体生长的形态和速度,进而影响金属的最终微观结构和性能。

金属凝固原理第2章液态金属的结构和性质

金属凝固原理第2章液态金属的结构和性质
有序原子团簇存在着结构上的差异。 • “浓度起伏” ——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, 把别的原于排挤到别处,表现为游动原子团簇之间存 在着成分差异 。
小结: 液体金属的结构是由许多瞬时的、游 动的、近程有序的原子集团和空隙组 成,原子集团间存在能量起伏、结构起
影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向:
由于凝固收缩形成压 力差而造成的自然对流 均属于层流性质,此时
粘度对层流的影响就会
直接影响到铸件的质量。
二、液态金属的表面张力
1.表面张力的实质 2.影响表面张力的因素 3.表面张力在材料成形生产技术中的意义
1.表面张力的实质
(1)表面张力及其产生的原因
液体或固体同空气或真空接触的面叫 表面。表面具有特殊性质,由此产生的现 象——表面现象。 如荷叶上的水珠呈球状,雨水总是以滴 状的形式从天空落下。
伏和浓度起伏。
§2-3 液态金属(合金)的性质
液态合金有各种性质,与材料成形过程 关系特别密切的主要有两个性质: 一、液态金属(合金)的粘度
二、液态金属(合金)的表面张力
一、液态金属(合金)的粘度
1. 液态合金的粘度及其影响因素 2. 粘度在材料成形中的意义
1.液态金属的粘度及其影响因素 (1)粘度的定义及意义
几乎不润湿。相反,同一金属(或合金)液固
之间,由于两者容易结合,界面张力与润湿角 就很小。 通过测定润湿角可比较不同液态金属表面 张力的大小。
2.影响表面张力的因素
(1)熔点 (2)温度 (3)溶质元素
(1)熔点 界面张力的实质是质点间的作用力, 故原子间的结合力大的物质,其熔点、 沸点高,则表面张力往往就大。材料成 形过程中常用的几种金属的表面张力与 熔点的关系如下表所示:

金属凝固原理——形核

金属凝固原理——形核
实用文档
一、均质形核的热力学条件 二、均质形核动力学 三、均质形核的局限性
实用文档
一、均质形核的热力学条件(过程进行的条件

. 晶核(为球体)形成时

系统自由能变化由两部分
组成,即作为相变驱动力
的液-固体积自由能之差
(负)和阻碍相变的液-固
G 界面V能(V正GSV):ASL
0
G3 4r3V G SV4r2SL
实用文档
§3-2 均质形核
• 均质形核 :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,所以也称“自发形核” (实际生产中均质形核是不太可能的,即使是在区域精 炼的条件下,每1cm3的液相中也有约106个边长为103个原 子的立方体的微小杂质颗粒)。
• 异质形核:依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生 核过程,亦称“非均质形核”或“非自发形核”。
● r< r*时,r↑→ΔG↑
● r = r*处时,ΔG达到最大 图3.4 液相中形成球形晶胚时自由能变化 值ΔG*
● r >r*时,r↑→ΔG↓ 实用文档
• 令: G /r|r r*0
得临界晶核半径 r*:
r 2SLVS 2SL Vs Tm
GV
Hm T
形核功:G 136S 3L V H Sm T mT2
实用文档
二、均质形核动力学(过程进行的速度)
均质形核的速度一般用形核率来描述。
形核率I ( ):是单位体积中、单位时间内形成的晶核数目。
ICex pGAe KT
x pK GT
I*
式中,ΔGA为扩散激活能 。
ΔG*→∞( ΔT→0时),I* → 0 ;
ΔG* 下降( ΔT 增大),I *上升。

金属凝固原理

金属凝固原理

§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;
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。
3溶质1正吸附吉布斯公式单位表面积上的吸附量????表面??内部??02表面活性物质降低表面张力的溶质3关于表面张力的双电层理论弗兰克尔r??e????3
太原理工大学材料科学与工程学院
金属凝固原理
主讲人:边丽萍
2012.2.20
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
Ⅲ区:晶粒数量=临界数量,结成连续的网络。 液流压力网络阻力时,堵塞停止流动。
2-3 影响充型能力的因素及提高充 型能力的措施
一、金属性质 (一)影响因素 1.合金成分 纯金属、共晶成分、金属间化合物——流动性最好;
原因:窄结晶温度范围停止流动机理 最大结晶温度范围——流动性最差。
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%。

金属凝固原理

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。

第04章 纯金属的凝固 重点内容与习题

第04章 纯金属的凝固 重点内容与习题


纯金属均匀形核研究发现,有效形核温度约在 0.2Tm,表明均匀形核所需的过冷度很大。 纯金属在实际凝固中,所需过冷度却很小,其 原因是实际凝固是非均匀(异质)形核。异质 基底通常可有效地降低单位体积的表面能,从 而降低形核功,这种异质基底的催化作用使非 均匀(异质)形核的过冷度仅为0.02Tm。




(1)形核又分为均匀形核与非均匀(异质)形核。 均匀形核 结晶的驱动力 结晶的阻力 临界半径r* 物理意义: 当半径小于r*的晶胚是不稳定的,不能自发长大,最终熔 化而消失,而半径等于或大于r*的晶胚可以自发长大成为晶核。 形核功:临界半径对应的自由能 结晶条件:需要过冷度、结构起伏(出现半径大于r*的晶胚)和能量 起伏 形核率:是一个重要的参数,它涉及到凝固后的晶粒的大小,而晶粒 尺寸对材料的性能有重要影响。形核率受两个因素控制,即形核功 因子核和扩散几率因子。


纯晶体凝固时的生长形态:(2)取决于界面 前沿液体中的温度分布情况。 在正的温度梯度下,光滑界面结构的晶体,其 生长形态呈现台阶状;而粗糙界面的晶体,其 生长形态呈平面状。在负的温度梯度下,粗糙 界面结构的晶体,其生长形态呈树枝状;光滑 界面结构的晶体,其生长形态也呈现树枝状, 只有当α值很大的晶体,其生长形态才呈现平 面状。

重要概念与名词: 凝固,结晶,近程有序,结构起伏,能量起伏 ,过冷度,均匀形核,非均匀形核,晶胚,晶 核,临界晶粒,临界形核功,光滑界面,粗糙 界面,温度梯度,平面状,树枝状,结晶度
作业

1.考虑在一个大气压下液态铝的凝固,对于不同程度 的过冷度,即:ΔT=1,10,100和200℃,计算: (a)临界晶核尺寸; (b)半径为r*的晶核个数; (c) 从液态转变到固态时,单位体积的自由能变化 ΔG*(形核功); (d)从液态转变到固态时,临界尺寸r*处的自由能的 变化 ΔGv。

金属凝固原理作业

金属凝固原理作业

定向凝固技术现状与开展某某:学号:班级:摘要:凝固技术的开展与存在的问题,介绍几种新开展起来的定向凝固技术。

以定向凝某某理为根底,对几种定向凝固技术进展简要介绍,并指出今后定向凝固的开展方向。

关键字:定向凝固;深过冷;凝固组织ABSTRACT: Thedevelopmentand problems in existence of the traditional directional solidification technology, introducing to several newly developed directional solidification technology in the basis of directional solidification technology principle.KEY WORDS: directional solidification; deep overcool;solidification structure凝固是物质有液相转变为固相的过程,这是一种普遍的物理现象。

可以说几乎一切金属制品在其生产流程中都要经历一次或屡次的凝固过程。

但是由传统凝固技术生产的铸件一般均由无一定结晶方向的多晶体组成。

在高温疲劳和蠕变过程中,垂直于主应力的横向晶界往往是裂纹产生和扩展的主要部位,也是涡轮叶片高温工作时的薄弱环节。

由于定向凝固技术可消除了横向晶界,获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体,从而提高了材料抗高温蠕变和疲劳的能力。

所以定向凝固技术一直被人们所重视,自1965年美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来,这项技术已经在许多国家得到应用。

采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能较长的疲劳寿命较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。

应用这种技术能使涡轮叶片的使用温度,提涡轮进口温度都有很大提高,从而提高发动机的推力和可靠性,并延长使用寿命。

凝固与组织控制原理作业答案

凝固与组织控制原理作业答案

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凝固和组织控制原理课堂作业
第二节液态金属的结构和性质
1.名词解释
表面张力:金属液表面质点因受周围质点对其作用力不平衡,在表面液膜单位长度上所受的绷紧力,称表面张力
粘度:
液态金属充型能力:液态金属充满铸型型腔,获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力
液态金属的流动性:液态金属本身的流动能力称为流动性,它由液态金属的成分、温度、杂质的含量等决定,与外界因素无关。

2.简答
(1)液态金属的结构有何特点?
(2)1、有固定的体积。

2、有很好的流动性。

3、各种物理化学性质接近于固态,而远离气态。

(3)详述影响液态金属充型能力的因素。

内因:自身流动性
(1)金属的密度ρ1;(2)金属的比热容c1;
(3)金属的导热系数λ1;(4)金属的结晶潜热L;
(5)金属的粘度η; (6)金属的表面张力σ;
(7)金属的结晶特点。

外因:型的性质、
(1)铸型的蓄热系数b2;(2)铸型的密度ρ2 ;
(3)铸型的比热容C2;(4)铸型的导热系数λ2;(5)铸型的温度;(6)铸型的涂料层;
(7)铸型的发气性和透气性。

浇注条件、
(1)液态金属的浇注温度;
(2)液态金属的静压头H;
(3)浇注系统中压头损失总合;
(4)外力场(压力、真空、离心、振动等)。

铸件结构
(1)铸件的折算厚度R
R=V(铸件的体积)/S(铸件的散热表面积)
或R=F(铸件的断面积)/P(断面的周长)
(2)由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失Σh.。

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1. Al-Cu相图的主要参数为CE=33%Cu,Csm=5.65%Cu, Tm=660℃,TE=548℃.用Al-1%Cu 合金浇注一水平细长圆棒试样,使其自左至右单相凝固,冷却速度足以保持固-液界面为平界面。

当固相无Cu的扩散,液相中Cu充分混合时,求:
①凝固10%时,固-液界面的CS* 和CL*;
②共晶体所占的比例;
③画出沿试棒长度方向Cu的分布曲线图,并标明各特征值。

2. 用Al-1%Cu合金浇注一水平细长试棒,使其自左向右单向凝固,并保持固-液界面为平界面。

当固相无Cu的扩散,液相中Cu有扩散而达到稳定态凝固时,求:
(1)固-液界面的CS* 和CL*;
(2)固-液界面的温度Ti;
(3)固-液界面保持平界面的条件(DL=3×10-5cm2/s);
(4)画出沿圆棒长度方向Cu的分布曲线。

3. 普通工业条件下,铸锭的冷却速度v=2.5×10-3cm/s;DL ≈10-5cm2/s;GL<3~5℃/cm,|mL|>1,令ρs=ρL,试分别求出某合金C0=10%、1% 、0.01 %(质量分数)以及k0=0.4与0.1时确保固-液界面平面生长所必须的GL值。

根据计算结果能得出什么结论?
英文
2-1 A Ge-Ga ingot containing 10 ppm Ga is solidified(凝固)at R=8×10-3cm/s with negligible convection(忽略对流), show schema t示意图: cally, the composition(成分)along the length of the fully solidified ingot, gaving the initial composition and lengths of the initial and final transients(瞬态). Assume DL=5×10-5cm2/s,k=0.1
2-4 A Ge-Ga crystal is grown by normal freezing with forced convection so that δ=0.005cm.Initial composition is 10 ppm Ga .Assume DL=5×10-5cm2/s, k=0.1
(a)For a solidification rate of 8×10-3cm/s , what will be the composition of the solid forming when the crystal is 50 percent solidified.
(b)How much lower would the solidication rate need to be to make it reasonable to assume complete liquid diffusion?
(c)How much higher would the solidification rate need to be to obtion a crystal of essentially uniform composition?
2-5An alloy Al-1%Cu is normally solidified with K’=K.The phase diagram for this alloy is schematically as in Fig 2-3 with C E=33%Cu,C SM=5.65%Cu.T m=660℃and T E=548 ℃
(a)How much eutcetic will be present in the finally solidified bar assuming no solid diffusion?
2-10 A small Ge-Ga crystal is grown with a plane front by the Czochralski technique with force convection so that δ=0.005cm.Melt composition is Co=10ppm Ga .Assume D L=5×10-5cm2/s, k=0.1 plot the composition along the length of the crystal for (a) a very slow rate,(b) 8×10-3cm/s ,and (c) a very fast rate.
3-1A Ge-Ga crystal is grown by normal freezing. Initial melt composition is Co=10ppm Ga. Growth rate is 8×10-3cm/s. Assume k=0.1,m L=-4 ℃/%, D L=5×10-5cm2/s
(a)If convection is completely absent, What thermal gradient is required to maintain(保持)a plane front when the ingot is 50 percent solidified?
(b)If convection is sufficiently vigorous(充分的足够的)that k=k’, what thermal gradient(热梯度)is required to maintain a plane front when the ingot is 50 percent solidified?
(c)If δ=0.005.What thermal gradient is required to maintain a plane front when the ingot is 50 percent solidified?
3-2An Al-1%Cu alloy is grown by normal freezing at 3×10-4cm/s with convection complete suppressed(禁止).The phase diagram for this alloy is as shown schematically in Fig,2-3 with C E=33%Cu,C SM=5.65%Cu.T m=660℃and T E=548 ℃,and constant k and m L; D L=3×10-5cm2/s
(a)What will be the temperature of the planar solid-liquid interface at steady state?
(b)What thermal gradient will be required to maintain the plane front according to the constitution supercooling criterion?
3-4 An Al-1%Cu ingot is solidified with no convection at 3×10-4cm/s ,with a thermal gradient of 300 ℃/cm. solidification is cellular,(see the data in prob.3-2)
(a)What is the approximate liquid composition at the cell tips?The solid composition?
(b)What is the temperature of the cell tips?
(c)What is the distance from the cell tips to the cell roots?
(d)How far does characteristic distance of the diffusion boundary layer extend in front of the cell tips?
3-5 What weight fraction eutectic will form in intercellular regions of the ingot of prob.3-4?。

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