《金属快速凝固与非晶材料》第一章

T B1 k V B m ( c c ) 2 A V D
T
—过冷度
—共晶片间距
k , B 1, B , A
——常数
六、枝晶生长边缘稳定性理论
1977年Langer和Muller-Krumbhaar在Ivantsov解的基础 上，通过对枝晶尖端严格的稳定性分析，提出了边缘稳定 性原理（L-M-K原理）。 利用该原理可得到过冷度与枝端半径和生长速率的关系。
•
冶铸工艺与人类文明：
约在公元3000年前，人类进入青铜时代。 公元前17世纪到公元前3世纪是青铜时代的鼎盛时期：如安阳出土的司 母戊大方鼎、春秋战国时的编钟、秦朝的铜车马等反映了当时中国的铸造 水平。
四川广汉出土的三星堆遗址，其高超的青铜器冶炼技术至今仍是考古之谜 （距今约有4000—5000年的历史）
103-106
快速冷却
细粉、熔体铜模吸铸 （ 6-0.2mm厚度）
甩带、喷射沉积、电子束和激光表 面熔化（ 200-6μm厚度）
5—0.5
0.5—0.05
9
106-109 及历史
“凝固”在人类历史上起到划时代的作用：凝固作为冶铸工 艺的核心经历了几千年的历史，把人类推入“铜器时代”和 “铁器时代”，成为影响社会生产力发展的关键因素。
四、界面稳定性线性动力学理论（M-S理论）
1964年Mullins和Sekerka将流体动力学方法及干扰技 术应用于凝固中的界面稳定性问题，提出了界面稳定性的 线性动力学理论。
V V ( b )( 2 G m G c ) m GC D
V
—凝固速度


—振幅随时间的变化率
优质铸件凝固加工的发展目标：
净/近净成形—精确控形；组织结构控制—精确控构；
25
优质铸件凝固加工的发展趋势：
1）采用新的凝固加工工艺：如：挤压铸造、半固态铸造、
连续铸轧、精密铸造、自蔓延高温合成熔铸等
2）精确控制凝固过程：即纯净化、细晶化、均质化
3）凝固加工过程的模拟仿真：据美国科学研究院工程技
术委员会测算，通过铸件的模拟仿真可以提高产品质量 5—15倍；增加材料利用率25％；降低技术成本13—30 ％；降低人工成本5—20％；提高设备利用率30—60％； 26 缩短产品周期30—60％
课程内容：
第一章 凝固科学技术与材料发展（～2学时）
从凝固科学与实践发展的角度介绍当前凝固材料体系的基本框架和凝固科学 主要发展阶段的基本理论；介绍凝固科学技术及其新型材料的发展展望。
第二章 快速凝固的物理基础（～8学时）
介绍快速凝固技术的起源、定义及其实现途径，快速凝固动力学和热力学理 论，非平衡溶质分配理论以及快速凝固的组织特征。
从金属（合金）→金属间化合物→金属 基复合材料→金属/非金属复合材料； 从多晶→单晶→微晶→非晶。
形成了一个较为完整的凝固材料体系
1.2 凝固科学的形成
20世纪40年代前，无公认的凝固理论。下列凝 固理论推动了凝固学科的发展。
一、液固相变形核理论
20世纪40-50年代，Turnbull和Fisher在经典形核 理论基础上，建立了液固相变形核理论。 指出晶核形成速率I是温度、临界晶核形成功ΔGc 和原子液固相变激活能ΔGb的函数。
1.3.2 凝固理论促进材料发展
一、优质铸件凝固
优质铸件是材料成形加工的基础（90％以上金属结 构材料经铸造、锻压、焊接成形，都需经过“凝固 过程”） 。 中国铸件年产量为世界第二，但优质铸件仅占20.7 ％（美国40.7％）； 航空航天熔模精铸件，世界销售额52.3亿美元，美 国占24.8亿（占47.4％），中国1.8亿（占3.4％）。 我国铸件重量平均比国外重10—20％。


公元前13—14世纪以前，人类就开始制造铁器，如明朝永 乐年间的铁狮子。 随着社会文明的进步，金属材料在制造业中逐渐占主导地 位，开发出各种类型的铸造方法，通过成分和冷却速率控 制，可以形成粗晶、微晶、纳米晶或非晶等；熔态铝可以 通过直接吹气或加入氢化物而制成密度低、比强度高的泡 沫铝合金，如图。
冷却速度范围 冷速(K．S-1)及类型 10-6-10-3 10-3-100 100-103 缓慢冷却 中等冷速 近快速冷却 典型生产加工过程 大的砂型铸件 （ >6m厚度） 标准铸件、连续铸坯/铸棒 （ 6-0.2m厚度） 薄带、压铸件、半固态铸件 （ 200-6mm厚度） 枝晶臂间距(μm) 5000—500 500—50 50—5
凝固过程常用的研究方法：
（2）数值计算方法 当对已经建立的数学模型无法找到解析解的时候 ，采用数值计算方法是解决问题的有效途径。 首先需要对已有的数学模型进行离散处理： 将连续的变化过程转化为离散的数值点，在这 些点的密度非常大，间距非常小的情况下，可以 较为准确地反映实际情况。 常用的离散方法包括差分法和有限元法。 再进行计算：完成了数学模型的离散过程，则一 个凝固问题便转变为计算问题。 现代计算机技术和计算方法的发展使得可以找到 数学模型的问题都能够通过数值计算方法解决。
课程教材：陈光，傅恒志等著，非平衡凝固新型金属材料， 科学出版社，2004年8月
参考书目：
1. 胡壮麒，宋启洪，张海峰，刘正编著，亚稳金属材料， 科学出版社，2006年12月
2. 惠希东，陈国良编著，块体非晶合金，化学工业出版社， 2007年1月
3. 程天一，章守华编著，快速凝固技术与新型合金，宇航 出版社，1990年11月
二、定向凝固 在凝固过程中，如果单向散热，有较大的温度梯度， 则新晶核的形成将受到限制，晶体便以柱状晶生长， 这就是定向凝固。
定向凝固组织
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定向凝固基本原理
• 定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在 凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的 温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方 向凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术。 • 定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和 完善起来的。该技术最初用来消除结晶过程 中生成的横向晶界，甚至消除所有晶界，从 而提高材料的高温性能和单向力学性能。 • 在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两 个重要的凝固参数能够独立变化，可以分别 研究它们对凝固过程的影响。这既促进了凝 固理论的发展，也激发了不同定向凝固技术 的出现。
凝固科学与凝固加工的研究内容
凝固过程研究的手段和方法
凝固过程常用的研究方法：
（1）数学解析方法 数学解析包括：数学模型的建立和数理方程的求解 A、数学模型建立：
首先：是要找出所研究问题中的所有影响因素(参量) 然后：寻找这些参量之间逻辑关系。通过具体的数量
级的估计，忽略次要因素，保留主要因素。 数学模型的建立过程就是寻找这些参量之间逻辑关系 的过程。寻找各种影响因素和数学模型的建立往往需 要借鉴本门学科的已有知识和其他学科的理论，并进 行数学逻辑的思维。
第三章 动力学急冷快速凝固（～4学时）
介绍动力学急冷快速凝固原理，动力学急冷快速凝固的传热特点（模冷快速 凝固、雾化快速凝固和激光表面重熔快速凝固过程中的热流问题）和动力学急冷 快速凝固技术。
第四章 热力学深过冷快速凝固（～6学时）
介绍过冷及过冷度的遗传性，熔体热力学深过冷的原理与方法以及热力学深 过冷熔体的凝固特征。
1.1 凝固的特点及凝固的发展历史 1.1.1 凝固的特点
凝固：液体转变为固体的过程。是一种极为 普遍的物理现象。几乎一切金属制品在其生 产流程中都要经历一次或多次的凝固过程.
凝固与结晶（一次结晶）的区别：凝固是一 种状态的转变，结晶不仅状态改变，而且发 生晶体的析出。通常是指晶体材料的凝固。
材料凝固特点：凝固过程具有很宽的冷却范围（15-18 个数量级）。 冷却速率：从极慢的10-6K/s到超高速 的1011K/s 凝固加工的冷却速度范围与特点
课程的性质、目的和任务：
本课程是材料科学与工程专业本科生的专业选修课。 目的是让学生了解材料在快速凝固过程的热力学和动力学 特点、非平衡溶质分配理论，重点掌握快速凝固技术对凝 固组织的影响，了解非晶合金的微观结构特征和制备方法， 掌握非晶合金的力学、物理和耐腐蚀性能。
通过该课程的学习能了解材料快速凝固理论、工艺 及其非晶合金方面的相关知识，扩展知识面。
第五章 非晶合金材料（～12学时，含4学时讨论课）
介绍非晶材料的微观结构特征、非晶合金的开发历程及其制备方法，非晶合 金的力学行为、物理性质、腐蚀性能，非晶基复合材料以及非晶合金应用。
★课堂要求：不缺席、不迟到、遵守课堂秩序，缺 席3次者平时成绩为0分，迟到3次视为1次缺席。 （确有特殊情况请事先交请假条，需辅导员签字） ★考试：平时40%+期终考试（闭卷或开卷）60%
三、成分过冷理论
1953年哈佛大学教授Chalmers及其合作者对金属凝固 中液固界面形态的仔细考察，提出界面稳定性概念和成 分过冷理论，并导出了著名的成分过冷判据：
G m c 0 ( k 1) V kD
G-温度梯度，V-凝固速率， 公式左边为可 调整的工艺参数，右边为材料自身性质。
首次从界面稳定性角度揭示单相凝固结构出现复杂形态的内在原因。 不足：（1）以热力学平衡态为前提；（2）忽略界面曲率效应； 16 （3）忽略液固两相热物性参数差异。
—振动频率

m
G
—液相线斜率

—表面张力常数
—液相中的温度梯度
D
—溶质在液相中的扩散系数
Gc
—溶质的浓度梯度
界面稳定性是由温度梯度、界面能和溶质边界层三方面因素决定的。 M-S理论是成分过冷理论的更一般形式。当V很小时，M-S理论回到成 分过冷理论。
五、共晶生长理论
1966年Jackson和Hunt对正常共晶的耦合生长作了定 量描述，提出了J-H模型。该模型通过求解稳定扩散场 方程，得到界面过冷度与共晶间距的关系。