钢液凝固的基本理论
第一章 金属液态成形理论基础
第一节 液态金属充型能力与流动性
0、什么是液态金属的充型能力
1）定义：
液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的 成型件的能力，称为充型能力。
2）充型能力对成型的影响
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔 等缺陷。
3）影响充型能力的因素
充型能力首先取决于金属本身的流动性(流动能力)，同 时又受铸型性质、浇注条件和铸件结构等因素影响。
一、铸件的凝固方式
在铸件凝固过程中，其断面上一般存在三个区 域：固相区、凝固区和液相区。
1、分类
依据对铸件质量影响较大的凝固区的宽窄划分 铸件的凝固方式为如下三类：
(1)逐层凝固
纯金属和共晶成分的合金在凝固过程中不存在液、固并 存的凝固区，随着温度下降，固体层不断加厚，液体不 断减少，直达铸件中心，这种凝固方式称为逐层凝固。
机械应力
二、铸件的变形及其防止
1、变形的原因：
铸件内部残余内应力。 只有原来受拉伸部分产生压缩 变形、受压缩部分产生拉伸变 形，才能使铸件中的残余内应 力减小或消除。
平板铸件的变形
杆件的变形
床身铸件的变形
粱形铸件的弯曲变形
2、防止措施：
减小应力； 将铸件设计成对称结构，使其内应力互相平衡； 采用反变形法； 设置拉肋； 时效处理。
2、冷裂纹的特征
裂纹细小，呈连续直线状，裂缝内有金属光泽或轻 微氧化色。
3、防止措施
凡是能减少铸件内应力和降低合金脆性的因素 均能防止冷裂。 设置防裂肋亦可有效地防止铸件裂纹。
防裂肋
三、合金的吸气性
液态合金中吸入的气体，若在冷凝过程中不能溢 出，滞留在金属中，将在铸件内形成气孔。
一）气孔的危害
气孔破坏了金属的连续性，减少了其承载的有效 截面积，并在气孔附近引起应力集中，从而降低 了铸件的力学性能。 弥散性气孔还可促使显微缩松的形成，降低铸件 的气密性。
钢的凝固理论讲解
（3）成分过冷与结构 ·当固液交界面前沿出现成分过冷时， 交界面就不
稳定了，不再保持平面结构。
· 按过冷度的大小，开始形成晶胞、晶胞树枝晶、 树
枝晶结构。
· 随成分过冷度的增加，结构形貌由晶胞发展为树 枝
晶。
8.1.3.3 树枝晶凝固
图8－8为晶体长大成树枝晶示意图。铁为立方晶格，成 正六面体结晶，由于结晶总是在结晶面溶质偏析小的地 方和结晶潜热散出最快的地方优先生长，在晶核长大过 程中，棱角比其他方向导热性好，而且棱角离未被溶质 富集的液体最近。因此棱角方向长大速度比其他方向要 快，从八个角成长为菱锥体的尖端，其生长方向几乎平 行于热流，构成树枝晶主轴，称之为一次树枝臂。垂直 于一次枝晶臂而长出分叉的枝晶叫二次枝晶臂。冷却速 度继续增加时，在二次枝晶臂上垂直长出三次枝晶臂， 这些枝晶彼此交错在一起宛如茂密的树枝。从而使结晶 潜热从液体中可以很容易的通过彼此连接的枝晶而传导 出来，直到完全凝固为止
试验指出，二次枝晶间距与区域凝固时间 tc 关系如图8－14。它
们的经验关系式：
l 0.00716tc0.5 (1.5%C,1.1%Mn) lI 0.0518tc0.44 (0.6%C,1.1%Mn)
树枝晶间距对钢锭结构、显微偏析有重要影响。实际钢锭凝固时 凝固速度与温度梯度不可能彼此独立变化，而通过凝固时放出热 量来影响整个凝固过程。这样就可用冷却速度来控制树枝晶间距 ，以得到细的树枝结构。而影响冷却速度最重要的因素是凝固方 法。图
第八章 钢的凝固理论
凝固理论
凝固理论
8.1 钢液结晶与凝固结构
8.1.1 均质形核
（1）新核的形成引起系统的自由能的变化： · 体积自由能的下降： ΔGv＝－(4/3)(πγ3 (GA-GB)) 式中：γ：球形晶核的半径；GA：A相体积自由能； GB：A相体积自由能 · 表面自由能的增加： ΔGF＝4πγ2σ 式中：σ：A、B两相界面自由能
金属凝固理论
2. 负温度梯度下生长的晶体形态
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如：白磷在低长大速度时（小过冷度ΔT）为小晶面界面，在长大速度增大到一定时，却转变为非小晶面。 非均质形核临界晶核半径： 粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。 在相变驱动力的驱使下，借助 得临界晶核半径 r*： 一、 液-固界面自由能及界面结构 非均质形核与均质形核时临界曲率半径大小相同，但球缺的体积比均质形核时体积小得多。 由于前面讨论的热力学因素，生长过程中仍可维持粗糙面的界面结构。 其生长方向为界面的法线方向，即垂直于界面生长。 1、粗糙界面与光界滑面 三、晶体宏观生长方式 只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续长大”。 由金属原子穿越界面过程所引起 液态相间的界面，界面具有界面 只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续长大”。 凝固动力学是研究形核、界面结构及晶体长大。 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。
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Chapter 4 Thermodynamics and kinetics of solidification
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主要内容
4.1 凝固热力学 4.2 凝固动力学 4.3 纯金属的晶体长大
4.1 凝固热力学
4.1.1 ห้องสมุดไป่ตู้-固相变驱动力
4.1.2 溶质平衡分配系数（K0）
4.1.1 液-固相变驱动力
错配 度 aCaNaN10% 05%完 , 全共 格 25% ； 完 , 全不共
晶格结构越相似，它们之间的界面能越小 ，越易形核。
杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响 凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差 。
4.3 纯金属的晶体长大
一、 液-固界面自由能及界面结构 二、 晶体长大机制 三、 晶体宏观生长方式
金属凝固理论 第4章 液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动
金属的凝固温度越高，在凝固过程中铸件表面和铸型内表 面的温度越高，铸型内外表面的温差就越大，致使铸件断 面温度场出现较大的梯度。如有色金属与钢铁相比，其温 度场较平坦。
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（2）铸型性质的影响 1）铸型的蓄热系数
铸型的蓄热系数越大，对铸件的冷却能力就越大， 铸件内的温度梯度就越大。铸型的导热系数越大， 能把铸型内表面吸收的热迅速传至外表面，使铸 型内表面保持强的吸热能力，铸件内的温度梯度 也就大。
向中心推进时，把铸型加热到更高温度，所以铸 件内温度场较平坦。
2）铸件的形状 铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同。
向外凸出的部分，散出的热量被较大体积的铸型 所吸收，铸件的冷速较大，如果铸件内凹的表面， 则相反。
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三、铸件的凝固方式及影响因素
TL
TS
L
S+L S
第四章 液态金属凝固过程 中的传热、传质及液体流动
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第一节 凝固过程中的传热
在材料成形过程中，液态金属的过热热量和 凝固潜热主要是通过传导而释放的。
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一、凝固过程中的热传导及傅里叶方程
温度场基本概念: 稳定温度场： 不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函 数），其表达式为：
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T n
Tw Tf
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凝固过程中，热量传递有三种形式：传导、辐射、 对流。
以热传导为主。 热传导过程取决于温度的分布——温度场：温度
随空间和时间的变化。 T = f（x，y，z，t） Fourier热传导方程：
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。
钢液凝固的基本原理
钢衣凝固的基本原理1钢液的凝固与结晶众所周知，在不同的温度条件下，物质都具有不同的状态。
钢也一样，在加热到一定的温度时，可从固态转化成液态；钢液冷却到某个温度时，将从液态转化为固态。
钢从液态转化成固态称为凝固；从固态转化成液态叫熔化。
钢水凝固的过程主要是晶体或晶粒的生成和长大的过程，所以也叫做结晶。
钢液的结晶条件(钢液凝固的热力学条件)通常把固体转变为液态的下限温度称为熔点；把液态转变为固态的上限温度叫凝固点，又称理论结晶温度。
凝固点即物质在冷却过程中开始凝固的温度，钢液的结晶只有降温到凝固点以下才能发生。
因为钢液的液相温度在冶炼和浇注操作中是一个尖键参数，因此，准确知道要生产的钢的液相线温度对整个炼钢过程至尖重要。
出于操作安全性和希望得到尽量多的等轴晶凝固组织而采用低过热度浇铸等因素考虑，一般要求浇注温度确定在液相线以上的一个合适的值。
一般根据钢中元素含量可以计算出该钢的液相线温度值。
通常用Ts表示钢的凝固点或理论结晶温度。
对某一具体的钢不中，凝固点通常可用以下公式理论计算出：Ts=1536C—( 78(M%34P耕30S辭5Cu炽如2Mo耕2V炽％%18Ti%°C降温到Ts以下某温度T叫过冷，并把Ts与T的温度差值△ T叫过冷度，即: △T=Ts— T过冷是钢液结晶的必要条件，过冷度的大小决定结晶趋势的大小，即过冷度越大，结晶速度越快；反之，过冷度越小，结晶速度越慢。
晶核的形成(1)自发形核在过冷钢液中，有一些呈规则排列的原子集团，其中尺寸最大的集团，就是晶体产生的胚，称之为晶胚。
晶胚时而长大，时而缩小，但最终必有一些晶胚达到某一规定的临界尺寸以上，它就能够稳定成长而不再缩小了，这就形成晶核。
(2)非自发开核因在钢液的凝固过程中，液相中非自发形核比自发形核所要求的过冷度小得多，只要几度到20C过冷度就可形核，这是因为钢液中存在悬浮质点和表面不光滑的器壁，均可作为非均质形核的核心。
由于钢水不可能达到100%的纯净，故生产中这种形核是主要的形核方式。
钢锭的凝固PPT课件
内部形成缩孔。
缩孔的类型
02
根据缩孔的位置和大小，可分为集中缩孔和分散缩孔。集中缩
孔较大，分散缩孔较小。
缩孔的影响
03
缩孔会导致钢锭的致密度下降，影响钢材的机械性能和可靠性。
钢锭的成分控制
01
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03
成分的重要性
钢锭的成分是影响其机械 性能、耐腐蚀性和加工性 能的重要因素。
成分的控制方法
通过调整炼钢过程中的原 料配比、加入合金元素等 方式控制钢锭的成分。
Байду номын сангаас
02
钢液成分
钢液中的元素含量会影响其凝固过程中的物理和化学变 化，从而影响钢锭的质量。
03
钢锭模设计
钢锭模的设计会影响钢液的冷却速度和流动状态，进而 影响钢锭的结晶结构和质量。
02
钢锭凝固原理
钢锭的结晶过程
01
钢锭的结晶过程是指液态钢转变为固态钢的过程，包括 形核和晶核长大两个阶段。
02
形核阶段是钢锭内部形成晶核的过程，这些晶核在液态 钢中形成，并逐渐长大。
钢锭在凝固过程中，由于热应力和组 织应力的作用，在钢锭表面或内部形 成裂纹。
裂纹的影响
裂纹会导致钢锭的强度和韧性下降， 影响钢材的质量和安全性。
裂纹的类型
根据裂纹的形状和位置，可分为热裂纹和 冷裂纹。热裂纹发生在钢锭凝固过程中， 冷裂纹则发生在钢锭冷却或加工过程中。
钢锭的缩孔问题
缩孔的形成
01
钢锭在凝固过程中，由于体积收缩和温度梯度的影响，在钢锭
加工性能好
钢锭经过适当的加工后， 具有良好的切削加工性能， 能够提高机械零件的加工 效率。
钢锭在建筑行业中的应用
建筑结构件
《 凝固原理》
《凝固原理》实验指导书芦笙编写适用专业：金属材料与工程江苏科技大学材料科学与工程学院2006年4 月前言“凝固原理”是金属材料工程专业学生的一门专业基础选修课，主要介绍金属凝固过程中的基本理论和各种液态金属成型方法的原理和特点，使学生了解与金属凝固、成型相关的理论和工艺方法，并为后续的专业课程打下基础。
通过学习使学生对金属凝固及铸件成型的典型现象、基本概念和凝固控制原理和技术有一定的了解，并能结合材料设计、研究及工程应用中的与凝固相关的现象，进行分析、解决一些实际问题。
课程安排了两个实验，分别为“铸造工艺实验”和“快速凝固实验”，共4学时。
通过实验，使学生对铸造工艺的概念和要求有较深入的了解，并理解快速凝固技术的原理、工艺特点和应用。
实验1：铸造工艺实验实验学时：2实验类型：（验证、综合、设计）实验要求：（必修、选修）一、实验目的通过对汽车飞轮铸件的工艺设计、造型和浇注实验，使学生对了解铸造工对铸件的流动性、成型性和铸件质量的影响，加深对铸造工艺对铸件质量有重要影响的认识。
通过动手参与实验，能对铸造工艺进行简单的分析，为今后从事金属凝固或铸造工作，进行铸造工艺设计和分析等工程实践奠定坚实的实践基础。
二、实验内容1．分析铸件-汽车发动机飞轮的零件图；2．对以下三种铸造工艺方案进行分析和比较；3．按三种铸造工艺方案分别进行造型和浇注，获得铸件；4．观察并分析铸件质量，从而总结铸造工艺对铸件凝固和最终产品质量的影响。
三、实验原理、方法和手段汽车发动机飞轮为HT-24-44灰铁铸件，重量30公斤。
零件为一高速旋转体，要求铸件内部无缩松、缩孔和砂眼，外表面应无气孔、夹渣等缺陷。
根据铸件结构壁较厚大、材质收缩大的特点，一般都确定按顺序凝固原则进行浇注，即设置冒口补缩，以减少缩松和缩孔缺陷。
但浇注位置和分型面可有多种设计方案。
根据多年的生产该铸件有三种工艺方案可供选择，并分别具有特定的浇注系统和分型面。
通过对三种铸造工艺方案进行分析，并结合实验结果，使学生对铸造工艺的重要性有具体的认识。
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如右图，液体、晶体的原 子结构不同，所以，其自由能 G随温度T的变化也不同。 T↑ G↓； 但GL↓＞GS↓， 交点T0
GL
自 由 能 G
ΔG＝GL－ GS
GS
ΔT
当Tn＜T0时 ΔG=GL-GS L →S晶 当Tn＞T0时 ΔG=GS-GL S晶→L 当Tn＝T0时 ΔG=0 S 晶 L
利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度 热分析法 ”。此法是将 的测量，这种测量方法称为“ 被测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷 却，冷速越慢，过冷度 ΔT 就越小，测得的实际结晶 温度就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度 随时间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如 下图所示的“冷却曲线”。 T
（二）理论结晶温Βιβλιοθήκη ：凡是纯元素（金属 非金属）都有一个严格不变的温 度点，在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温 度就称为理论结晶温度 。T0符号 。
理论上，上述温度 T0 当T＞T0 当T＜T0 当T＝T0 （三）自由能： 物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够 对外作功的这部分能量（G）称为自由能。 任何物体都具有释放能量，降低能量使其趋于 稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温度的两物 体接触，而结晶或凝固的过程就是一个降低能量的 “自由能差”（ΔG） 过程，其驱动力，就是 。 S→L L→S LS （由固态转变为液态） （由液态转变为固态） （液态、固态平衡共存）
（五）冷却曲线： 物体在液态冷却结晶过程中所 作出的τ-T曲线。（如右图）
冷却曲线中出现的水平台阶的 温度就是实际结晶温度。
T0 Tn
ΔT
纯金属结晶冷却曲线示意图
NETZSCH 404G3 高温差示扫描量热仪
主要用于对材料进行高温热分析，包括相转变温度及转变焓、多晶 形转变温度和转变焓、物质的比热、材料的玻璃化转变温度与比热 变化程度、熔点与熔化焓、晶体的结晶温度与结晶热焓、结晶度、 固化温度等。
结晶过程的一般规律
• 形核 • 长大
形核、长大
形核和（晶核）长大的过程动态演示：
液态金属 形核 长大 完全结晶
• （结构条件：晶胚临界形核半径晶核 ） • 稳定存在的晶核：自发形核、非自发形核
晶核的形成
• • • 从液态金属中产生晶核一般有两种形式，一种是均 质形核(自发形核)，另一种是异质形核非自发形核)。 实际金属结晶时，大多数是以异质形核的方式进行的。 A 均质形核 均质形核是在液相中直接产生晶核。即在一定的过 冷度下，液态金属中一些体积很小的近程有序排列的 “原子集团”转变成规则排列并稳定下来的胚胎晶核， 这一过程称为均质形核。从热力学的观点出发，这一 过程只有引起系统自由能的降低才能自发进行。形成 新相晶核系统自由能的变化包括： (1)在液相中形成品核时引起体积自由能的降低； (2)形成晶核时产生固、液交界面导致表面自由能 的增加。
冷却速度越大，则过冷度越大。
• 过冷现象：过冷是结晶的必要条件。 • 过冷度 : ΔT = T0 – T1 • 结晶热力学条件：必须具有一定的过冷度。
结晶的动力学条件
• 液体的结晶必须有核心 • 液态金属中有许多与固态金属结构相似、体积很小 的原子集团，在足够的过冷度条件下，这些原子集 团变成规则排列，并稳定下来而成为晶核，这一过 程即为均质形核； • 而以金属液相中已存在的固相质点和表面不光滑的 器壁作为形成核心的“依托”发展成为晶核的过程， 称为非均质形核。由于钢液的内部含有熔点不同的 杂质，因此钢液的结晶主要为非均质形核。实践证 明，均质形核需要很大的过冷度，而非均质形核需 要的过冷度很小，只要过冷度达到20℃就能形成晶 核。
图2—2是用热分析测定液态金属结晶时3种冷却曲线的情况。曲线中各转点表 示结晶的开始或终结。其中：a表示接近平衡的冷却，结晶在一定的过冷度下 开始、进行和终结，由于潜热的释放和逸散相等，所以结晶温度始终保持恒定， 一直到完全结晶后，温度才下降3b表示金属液冷却速度较快(实际生产的通常 倩况)的状态，结晶在较大的过冷度下开始，所以进行较快，而使潜热的释放 大于热的逸散，这样便使湿度逐渐回升，直至两者相等，而后结晶便在恒温下 进行；直到结晶完成后，温度才会下降；c表示冷却很快，结晶在更大的过冷 度下开始，而且浴热的释放始终小于热的逸散，所以结晶一直在连续降温的过 程中进行，直到结晶终结后，温度便又更快地下降。这后一种情况只能在较小 体积的液体中，或在大体积液体的局部区域内进行。
一般情况下，过冷度ΔT越大则ΔG越大、则结晶驱动 越大，结晶倾向也越大。
结晶潜热： 在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产 生的剩余能量将以热的形式向外界释放， 我们称之为“结晶潜热”。
过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外， 结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降， 使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度 ΔT 保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度 是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。
• •
• 在一定的过冷度下,当G体≥G表时,晶 核就形成。 • 临界形核半径（假设球形）随过冷度 增大而减小。 当过冷液体中出现晶坯时，一方面 由于原子由液态的聚集状态转变为固 态的排列状态，使体系的自由能降 低）；另一方面，由于晶坯构成新的 表面，又会引起表面自由能的增加。 r<r*时，晶胚长大将导致系统自由能的 增加，这种晶胚 不稳定，瞬时形成， 瞬时消失。 r>r*时，随晶胚长大，系统自由能降低， 凝固过程自动进行。 • 晶核形成的形式: *自发形核（均质形核） △T =200℃ *非自发形核（异质形核）△T =20℃
晶体的长大
Tn
T0
温度T
无驱动力，如平面上 的球、等温的两物体
可见，自由能差 ΔG 是靠 ΔT=T0 － Tn 来获得的， 所以，ΔT是结晶过程中的一个重要参数。 说明：金属的实际结晶温度 Tn 总是要低于理论结晶 温度T0。
（四）过冷度： 实际结晶温度（Tn）与平衡结晶温度（T0）之差： ΔT=T0-Tn