凝固过程
凝固过程的基本原理
wS
wL
▪ 在平衡凝固过程中，固相和液相中的溶质质量分数wS与wL是由相图的固相线和
液相线确定的。相图只能确定平衡凝固条件下的溶质分配系数。但在实际情况
下，平衡凝固的情况非常罕见。
▪ 一般将合金的凝固过程分为平衡凝固、近平衡凝固和非平衡凝固过程。对应于 上述凝固过程，k的定义和名称也各不相同，分别称为：平衡溶质分配系数k0, 有效溶质分配系数ke, 非平衡溶质分配系数 (也叫实际溶质分配系数) ka 。
1.相图与凝固---多元合金的凝固过程分析
相图计算的基本原理就 是依据热力学原理，计算
收集评估相图与热力学试验数据
系统的相平衡关系及各种
选择各相的吉布斯自由能模型
热力学数据，并绘制出相 图。热力学计算技术不仅
重新评估实验数据
给模型参数赋初值
能获得多元合金的相图信 息如分凝系数、液相线 (面) 斜率等，同时也能够获得
1.相图与凝固---多元合金的凝固过程分析
▪ 多元合金的溶质再分配分析
同样，对于多元合金，一般是从热力学的基本原理出发，对其溶质再分
配规律作出分析。
在研究多元合金的凝固过程时，仅当发生单相析出时，讨论溶质分配系
数才是有意义的。此时，任一组元i在液相和固相j中的化学位为，
L i
(GL wi
)T,P,WCj
1.相图与凝固---二元合金凝固过程的溶质再分配
▪ 溶质再分配是凝固过程的重要伴随现象，对凝固组织有决定性的影响。正是50~ 60年代以来对凝固过程溶质再分配现象的发现和深入研究，推动了现代凝固理 论的形成和发展。
▪ 描述凝固过程溶质再分配的关键参数是溶质分配系数k，它是凝固过程中固相溶
质质量分数wS与液相溶质质量分数wL之比。可写为，
一 凝固过程的传热
t 时间内传输热量
Q1
温差
T1 T2 x1 Q1 21 At
1 Q2 hi At x2 Q3 22 At
1 At T1 T2
x1 2
Q2 hi At T2 T3
Q3
T2 T3
2 At T3 T4
x2 2
T3 T4
'
2
1-19
1-20
s0 s
1-21
三 界面温度 在铸件和铸型界面上有：
分别对Ts和Tm求导得： 四 凝固系数 根据固、液界面上的 热平衡关系有： 对s和Ts求导并代入上式得：
Ts Tm1-22 s ' m ' x x' 0 x x' 0
热流稳定，上面三式相加：
x1 1 x2 Q T1 T4 21 hi 22 At
• 忽略间隙宽度时由点1到点4的热量：
Q
At T1 T4
x1 x2 2 2
T1 T4
x1 x2 Q 2 At
比较式和式可以得到：
• 对于体积为Ｖ，截面积为Ａ的实际铸件来说，完 全凝固的时间可求：
V
0
Ls dV A TM To
mcm m
0
tf
dt t
V 2 TM To m cm m t f A Ls
或简写成Chvorinov公式： M
C tf
1-14
三 金属铸型的凝固传热
2 凝固潜热
凝固潜热可表示为：
f s q L t
1-38
将上式代入1-31式并整理得：
简述血液凝固的过程。
简述血液凝固的过程。
血液凝固是一个复杂的生理过程，它可以防止出血并促进创伤愈合。
当血管受损时，血液中的凝血因子会相互作用，形成血栓，从而使血液凝结。
以下是血液凝固的具体过程：
1. 血小板聚集：当血管受损时，血小板会迅速聚集在受损区域，形成血小板血栓。
这个血栓可以暂时堵住受损的血管，并向外释放化学信号，以吸引更多的血小板和其他细胞。
2. 血管收缩：受损的血管会迅速收缩，以减少血液流失。
这是通过血管平滑肌的收缩来实现的。
3. 血液凝固酶的形成：当血小板聚集在受损区域时，它们会释放一种物质，称为血小板因子。
这个因子可以激活凝血因子，引发一系列反应。
在这些反应中，凝血酶原被转化为凝血酶。
4. 纤维蛋白凝固：凝血酶可以将纤维蛋白原转化为纤维蛋白。
纤维蛋白是一种长长的蛋白质链，它可以在血小板血栓上形成一个网状结构，从而加固血小板血栓。
这个过程被称为纤维蛋白凝固。
5. 血栓的收缩：一旦血栓形成，它会逐渐收缩。
这个过程由纤维蛋白收缩素介导，这是一种由血小板释放的化学物质。
血栓的收缩可以加强血小板血栓并压缩伤口。
6. 血栓的溶解：当伤口愈合时，血栓必须被清除，以便血液继续流动。
这个过程由纤维蛋白溶酶介导，这是一种由内皮细胞释放的化学物质。
纤维蛋白溶酶可以将纤维蛋白分解为水溶性产物，从而瓦解血栓。
血液凝固是由多个反应组成的复杂过程。
它可以防止出血并促进创伤愈合，但在某些情况下也可能导致疾病。
因此，对于血液凝固的研究是极为重要的。
混凝土凝固过程的原理及影响因素
混凝土凝固过程的原理及影响因素混凝土凝固过程是指混凝土从液态到固态的转变过程。
在这个过程中，混凝土中的水和水泥发生化学反应，形成胶凝体，并逐渐失去流动性，最终变为坚固的固体结构。
混凝土的凝固过程涉及多个因素的相互作用，包括水化反应、温度、湿度、外部环境等。
在本文中，我们将深入探讨混凝土凝固过程的原理及其影响因素。
1. 混凝土凝固过程的原理混凝土凝固的原理可分为两个主要方面：水化反应和水的蒸发。
1.1 水化反应混凝土中的水化反应是混凝土凝固的关键过程之一。
水泥在与水发生反应时产生水化产物，其中最重要的产物是水化硅酸钙胶凝体（C-S-H）和钙水化物（CH）。
C-S-H是混凝土中的主要胶结材料，其形成和发展决定了混凝土的强度和持久性。
水化反应是一个放热反应，也就是说，它会产生热量。
这种发热反应会加速混凝土的凝固过程，并对温度有一定的影响。
1.2 水的蒸发混凝土中的水分会随着时间的推移逐渐蒸发，这也是混凝土凝固的一个重要过程。
水的蒸发会导致混凝土中的溶质浓度升高，从而促进水化反应的进行。
但是，如果水分的蒸发速度过快，可能导致混凝土在凝固过程中产生裂缝和收缩问题。
控制混凝土中水分的蒸发速度对于确保混凝土结构的质量和可靠性非常重要。
2. 影响混凝土凝固过程的因素混凝土凝固过程的速度和质量受多种因素的影响，以下是其中几个重要因素的介绍。
2.1 水胶比水胶比是指混凝土中水的重量与胶凝材料（如水泥）的重量之比。
水胶比越低，混凝土的强度和耐久性越好，因为胶凝材料与水的反应相对充分。
然而，水胶比过低可能导致混凝土的流动性不足和与模板脱水困难。
在设计混凝土配合比时需要权衡水胶比的选择。
2.2 温度温度对混凝土凝固过程有着显著影响。
温度低于5℃时，水化反应的速率会明显降低，甚至会停止。
在低温环境下进行施工时，需要采取措施保持混凝土的温度，如使用加热设备或在混凝土中添加加热剂。
另高温环境下的水化反应速率较快，容易引起混凝土过早的凝固和龟裂。
水的凝固和融化过程
水的凝固和融化过程凝固是指物质从液态转变为固态的过程，而融化则是指物质从固态转变为液态的过程。
在这篇文章中，我们将探讨水的凝固和融化过程的原理及其重要性。
1. 凝固过程凝固是由于物质内部的分子间相互作用力增强而发生的。
对于水而言，当温度降低时，水分子之间的热运动减弱，它们开始组成规则的结构，形成冰晶体。
在凝固过程中，水分子排列成一个稳定的晶格结构，使得水从液态转变为固态。
凝固过程具有以下特点：1.1. 温度变化在凝固过程中，水的温度逐渐降低，直至达到凝固点。
对于纯净的水来说，其凝固点为0摄氏度。
值得注意的是，当我们在冬天里看到冰块形成时，实际上是冷空气将水的温度降低到冰点以下，而不是冰块自己产生冷量。
1.2. 结晶形态水的结晶形态与其凝固速度密切相关。
在快速冷却的情况下，水分子没有足够的时间进行有序排列，形成无定形的冰块。
而在缓慢冷却的条件下，水分子有充分的时间按照规则排列，形成透明的冰晶。
1.3. 液体与固体的体积水的凝固过程是伴随着体积变化的。
一般情况下，液态水会在凝固时膨胀。
然而，水在凝固过程中却出现了特殊的现象：当水温降至0摄氏度以下时，其体积会缩小，直到达到冰点时体积最小。
这意味着，当我们在冰柜中冷却一瓶水时，如果不充分留出空间，水会冻结后破裂。
2. 融化过程融化是由于物质内部分子间相互作用力减弱而发生的。
对于固体的水（冰）而言，当温度升高时，冰晶体继续吸收热量，水分子间的相互吸引力逐渐减弱，直到冰晶体内部的结构被破坏，而转变为液态水的过程即为融化。
融化过程具有以下特点：2.1. 温度变化在融化过程中，水的温度逐渐升高，直至达到融点。
对于纯净的冰而言，其融点也是0摄氏度。
2.2. 固体与液体的体积与凝固过程不同的是，融化过程中物质的体积会增大。
当固态的水融化成液态时，其体积会增加约9%。
这使得冰块融化后形成的水会比冰块的体积要大。
因此，当我们将一块冰放入容器中，随着融化，容器可能溢出。
物理凝固知识点总结
物理凝固知识点总结1. 凝固的定义凝固是指物质从液态到固态的转化过程。
在凝固过程中，原本无序的液体分子会逐渐排列成有序的固体结构。
凝固是一个物质从一个能量较高的状态向一个能量较低的状态过渡的过程。
在凝固过程中，分子之间的距离逐渐减小，相互之间的相互吸引力逐渐增大，最终形成了固体的晶格结构。
2. 凝固过程凝固过程可以分为凝固前、凝固中和凝固后三个阶段。
(1) 凝固前：在液体温度降低到一定程度，开始形成一些微小的凝固核，这一过程称为凝固前阶段。
在这个过程中，分子之间的相互作用逐渐增强，使得液体的分子逐渐排列成有序的结构。
(2) 凝固中：一旦开始形成凝固核，固体结构就会逐渐扩大，整个液体逐渐凝固成为固体。
(3) 凝固后：当整个液体都凝固成为固体后，凝固过程结束。
此时，固体的分子已经排列成有序的晶格结构，形成了固体的形态。
3. 凝固点凝固点是指物质从液态到固态凝固的温度。
对于每种物质来说，凝固点都是一个特定的数值。
对于水来说，凝固点是0°C。
而对于其他物质来说，凝固点会根据物质的不同而不同。
凝固点与气压有着密切的关系。
通常情况下，随着气压的增加，凝固点也会随之增加。
例如，在高山上，由于气压较低，水的凝固点比在平原上要低，这就是为什么在高山上水会更容易凝固成冰的原因。
4. 凝固热凝固热是指物质在凝固过程中放出的热量。
当液体凝固成为固体时，凝固热会使得固体的温度上升，直到达到凝固点。
凝固热的大小取决于物质的种类和凝固过程的条件。
凝固热的大小可以通过实验来测定。
实验方法通常是将一定质量的物质从液态冷却到凝固点，然后测量凝固过程中放出的热量。
通过这个实验，我们可以得到物质的凝固热。
5. 凝固现象的应用凝固现象在我们的日常生活中有着广泛的应用。
比如在冷冻食品加工过程中，会利用凝固现象来将液态食品变成固态食品，从而延长食品的保质期。
在冰淇淋的制作过程中，也会利用凝固现象将液态奶油变成固态冰淇淋。
此外，在工业生产中也会利用凝固现象来制备各种材料。
举例说明一种物质的凝固过程。
举例说明一种物质的凝固过程。
举例说明一种物质的凝固过程一、溶液中的物质凝固的基本原理在化学过程中，物质从液体状态转变为固体状态的过程称为凝固。
凝固过程是物质的分子或离子在一定条件下由无序状态向有序状态转变的过程。
溶液中的物质凝固也是基于这一原理进行的。
二、糖溶液的凝固过程糖溶液是我们常见的溶液之一，下面我们以糖溶液的凝固过程为例，来说明物质的凝固过程。
1. 温度对糖溶液凝固的影响温度是影响糖溶液凝固过程的重要因素之一。
一般来说，随着温度的降低，糖溶液的凝固速度会加快。
这是因为在低温下，分子的热运动减慢，使得糖分子之间的相互作用力增强，有利于凝固的进行。
2. 添加剂对糖溶液凝固的影响在糖溶液中添加一些特定的剂量，可以显著地改变糖溶液的凝固性质。
例如，添加一定量的酸性物质，可以促进糖溶液的凝固速度；而如果添加碱性物质，可能会延缓糖溶液的凝固过程。
这是因为剂量的加入改变了糖分子之间的相互作用力，影响了凝固的进行。
3. 溶液浓度对糖溶液凝固的影响溶液中物质的浓度也是决定凝固过程的重要因素之一。
一般来说，溶液浓度较高时，凝固的速度也会相对较快。
这是因为高浓度的糖溶液中糖分子之间的相互作用力相对较强，有利于凝固的进行。
4. 结晶过程对糖溶液凝固的影响在糖溶液中，凝固的过程实际上是糖分子或离子结晶的过程。
结晶是物质从液体状态到固体状态的转变。
在结晶过程中，糖分子或离子在溶液中逐渐重新排列，形成有序的晶体结构。
5. 凝固后的糖晶体的形状与质量糖溶液在凝固后形成的糖晶体具有不同的形状和质量。
这是由糖分子结晶的条件、速度以及结晶过程中的溶剂等因素共同决定的。
一般来说，较慢的结晶速度有利于形成较大的糖晶体，而快速结晶往往会形成小颗粒状的糖晶体。
总结：糖溶液凝固是物质从液体到固体状态转变的一个典型例子。
它受到温度、添加剂、溶液浓度以及结晶过程等多种因素的影响。
通过深入了解这些影响因素，我们可以更好地理解物质凝固的原理和过程。
自然界中的凝固现象
自然界中的凝固现象
1. 水的凝固，最常见的凝固现象之一是水在低温下凝固成冰的
过程。
当水温降至0摄氏度以下时，水分子开始减慢运动并逐渐排
列成规则的结构，形成冰的晶体结构。
2. 岩石的凝固，岩浆在地壳深部或火山喷发时，会经历凝固过程，形成火成岩。
这种凝固过程是地球上岩石形成的重要方式，包
括花岗岩、玄武岩等。
3. 金属的凝固，许多金属在熔化后会通过凝固过程形成固态金属。
例如，铁在高温下熔化后冷却会形成铁的固态结构。
4. 霜的凝固，在低温下，空气中的水蒸气会直接凝结成霜，覆
盖在地面或物体表面，形成美丽的冰晶。
5. 食物的凝固，食物中的凝固现象也很常见，比如蛋白质在加
热后凝固成固体，奶酪的制作过程中也涉及到凝固现象。
总的来说，凝固现象在自然界中是非常普遍的，涉及到物质的
相变和结晶过程，对我们的日常生活和地球科学都有着重要的影响。
通过了解凝固现象，我们可以更好地理解自然界中物质的特性和行为。
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7
第
三
第二节 材料结晶的基本条件
章 1 热力学条件
（2）热力学条件
第
△Gv=－Lm△T/Tm
二 a △T>0, △Gv<0－过冷是结晶的必要
节
条件（之一）。
结 b △T越大, △Gv越小－过冷度越大，
晶
越有利于结晶。
条 c △Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。
件
8
第
三
第二节 材料结晶的基本条件
章 2 结构条件
（1）液态结构模型
第
微晶无序模型
二
拓扑无序模型
节 （2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团
结
的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。
晶
出
现
条
几
件
率
结构起伏大小
9
第
三
第三节 晶核的形成
章
均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。
第 非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。
晶
条 件
2h
16
第
三
第四节 晶核的长大
章 1 晶核长大的条件
（1）动态过冷
第
动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。
四
（是材料凝固的必要条件）
节
（2）足够的温度
晶
（3）合适的晶核表面结构
核
长
大
17
第
三
第四节 晶核的长大
章 2 液固界面微结构与晶体长大机制
粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料的界面）：
二
节 1 均匀形核
结
（1）晶胚形成时的能量变化
晶
△G＝V△Gv+σS
条 件
＝(4/3)πr3△Gv+4πr2σ
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
第
一 与低分子结晶的相似性
五
1 结晶速度和晶粒尺寸受过冷度的影响
节
随过冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸减小。
高
2 结晶过程：形核与长大
分
均匀形核：高分子链靠热运动组成有序排列形成晶核。
子
非均匀形核：以残余结晶高分子、分散颗粒、容器壁
结
为中心形核。
晶
3 非均匀形核所需过冷度小。
24
第
三
第五节 高分子材料的结晶
内迁移的距离。用G表示。
结
晶
规
律
6
第
三
第二节 材料结晶的基本条件
章 1 热力学条件
（1）G-T曲线
第
a 是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。
二
dG/dT=-S
节
b 是上凸曲线：由二次导数（负）确定。
结
d2G/d2T=-Cp/T
晶
c 液相曲线斜率大于固相：
条
由一次导数大小确定。
Hale Waihona Puke 件二曲线相交于一点，即材料的熔点。
章 特点：结晶不完全性、不完善性、结晶速度慢
第 二 与低分子结晶的差异性
五
结晶的不完全性。一般50%，最高约95%。
节
（1）链的对称性。对称性越高，越容易结晶。
高
（2）链的规整性。规则的构型，有利于结晶，
分
有利于共聚结晶。
子
（3）链的柔顺性。柔顺性越好，结晶能力越强。
结
（4）共聚效应。
晶
25
第
三
第六节 凝固理论的应用
章
1 材料铸态晶粒度的控制
第
Zv=0.9(N/G)3/4
六
（1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，
节
适用于小件。
凝
（2）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。
固 （3）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。
的
应
用
26
第
三
第六节 凝固理论的应用
章
2 单晶体的制备
第
（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。
件
cθ=180时，△Gk非＝△Gk， 杂质不起作用。
15
第
三
第三节 晶核的形成
章 2 非均匀形核
（4）影响非均匀形核的因素
第
a 过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。
二
b 外来物质表面结构：θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相
节 似， 点阵常数相近。
结
c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图3－17）
21
第
三
第四节 晶核的长大
章 3 液体中温度梯度与晶体的长大形态
（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）
第
粗糙界面：树枝状。
四
光滑界面：树枝状－多面体—台阶状。
节
晶 核 长 大
22
第
三
第四节 晶核的长大
章 3 液体中温度梯度与晶体的长大形态
（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）
特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较
节
小、原子排列较混乱。
结
晶
规
律
4
第
三
第一节 材料结晶的基本规律
章
2 过冷现象 supercooling
第
一
节
结
晶 （1）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。 规 （2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际温度之差。
律
△T=Tm-T (见冷却曲线)
14
第
三
第三节 晶核的形成
章 2 非均匀形核
（3）临界形核功
第
计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系
二
σlw=σsw+σslcosθ
节
计算能量变化和临界形核功。
结
△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4
晶
a θ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核；
条
b 180>θ>0时, △Gk非<△Gk, 杂质促进形核；
（4）形核功与能量起伏
第
△Gk＝Skσ/3
二 临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。
节 能量起伏：系统中微小区域的能量偏
结
离平均能量水平而高低不
晶
一的现象。
条
件 （是结晶的必要条件之三）。
12
第
三 章 1 均匀形核
第三节 晶核的形成
（5）形核率与过冷度的关系
第
N=N1(∆GK) . N2(∆ GA)
二
由于N受N1(形核）. N2（扩散）两个因素控制，形核率与过冷
节 度之间是呈抛物线的关系。
结
晶
条 件
13
第
三
章 2 非均匀形核
第
二
节
结
晶
条 件
第三节 晶核的形成
（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。
（2）自由能变化：表达式与均匀形核类似。
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（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）
第
四
节
晶 核 长 大
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注: 过冷是凝固的必要条件
(凝固过程总是在一定的过冷度下进行)。
5
第
三
第一节 材料结晶的基本规律
章 3 结晶过程
（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）
第 （2）描述结晶进程的两个参数
一 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。 节 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
六
（2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。
节
凝 固 的 应 用
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27
第
三 冷度下均匀形核时，球形晶核和立方晶核哪一个更容易成？
节
原
子
不
规
则
排
列 6h
31
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三
第六节 凝固理论的应用
章
3 定向凝固技术
第
（1）原理：单一方向散热获得柱状晶。
六
（2）制备方法。
节
凝 固 的 应 用
28
第
三
第六节 凝固理论的应用
章
4 急冷凝固技术
第
（1）非晶金属与合金
六
（2）微晶合金。
节
（3）准晶合金。
凝 固 的 应 用
4h
29
第 一
本章小结与习题讨论课
章
1 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。