金属凝固原理
金属凝固原理
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
金属凝固原理第5章单相合金的凝固
⑤ 凝固终了T T1 '时： S CSM C
（2） 稳定生长阶段，界面前沿液相中溶质分配 规律
在稳定生长阶段，设界面 以R速度向前推进，界面前 沿的液相浓度为CL(x)，在 距离x处，单位面积单位时 间内向液体内部排走了m1 个溶质原子，有：
(DL—溶质在液相中的扩散系数)
dC m1 DL dx
二、平衡凝固时的溶质再分配
平衡凝固指凝固速度极度缓慢，使液相和固相中的溶质 得以充分扩散均匀化。假设合金是从左向右进行单向凝固， 固-液界面前沿存在正温度梯度，以K0<1合金为例。 C* ① 开始凝固 时， CS K0C0 C0 ， L C0
TM T0
二、平衡凝固时的溶质再分配
② 凝固过程中任一温度（ T T '）时，固-液界面上成 C L C0 分为： K 0C0 CS C0
由于 CS CS C0 ，则 f L 0 ，还有液体须继续凝固
CS
C0
CL
C0
C L ；有 CS f S K0
C0
K0
f L C0 ,
三、近（准）平衡凝固时的溶质再分配
④ 接近凝固终了 时：C0 CS CSM C0 K0 C 状态图中的Cs为近平衡凝固时 C C 0
三、近（准）平衡凝固时的溶质再分配
② 凝固过程任一温度T T '时： S C0 ， L C L C0 C C 设固相内平均成分为 C S ，液相为 C L ，有 CS CS ,C L C L 则：C L f S C L f L C0
CS
三、近（准）平衡凝固时的溶质再分配 ③ 凝固到平衡固相线 T T1 时：
东大金属凝固原理第二章
界面推进速度影响分配系数，影响界面前沿溶质浓度分布。 溶质浓度分布影响界面稳定性，影响凝固组织形态。
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在平衡条件下， αCLv= β CS v K0=CS / CL=α / β 原子在S/L界面粘着系数与脱离系数之比。设 S/L界面以f 速度向前推进，有：
（ CL - CS ） f= β CS v- αCLv
K= （f+ αv ) / (f+βv ) 当长大速度（界面推进速度）f→ 0时，K→K0;长大速度越小，K 越小，越接近K0 . 当f→∞时，K→1，K= CS /CL =1, CS =CL . K=1，即无扩散凝固，溶质原子完全捕获， Complete Troping CS =CL不存在溶质分配，无偏析。 在快速凝固条件下，存在这种情况，过冷度非常大。
铸造金属凝固原理-第7章单相合金的凝固
x)] -
Gx
ΔTC
max
=
mC 0 (1k0
k0)
GDL v
[1+ln vmC 0(1- k0)] GD Lk 0
x0
= 2D L v
-
2k
0GL
D
2 L
mC0(1-k 0)
G ≥ mC 0(1- k 0)
v
DL k0
• ⑤溶质元素的分配系数 k0 ； • ⑥溶质元素的含量 C0 。
— 为了得到较大的成分过冷，对于k0＜1的情况，要求v、m、 C0大，G、DL小。
➢ 合金本身的因素：k0、mL、C0、DL ➢ 工艺方面的因素：GL、v
ΔTC
==mC0 (1k0
k0 ) [1-
exp(-
v DL
x)] -
Gx
ΔTC
T1
=T0
-
mC0 (1k0
k0)
ΔTC
= T0
-
mC
0
[
1- k k0
0
exp(-
v DL
x)] -
T0
+ mC0 (1- k0) k0
Gx
= mC0 (1- k0 ) [1- exp(- v x)]- Gx
k0
DL
• 过冷极大值和过冷区宽度
dΔTC =0 dx
dΔTC
=
mC0 (1-
k0)
-v
成分过冷的两个条件：
➢ 界面前沿产生溶质富集，导致理论凝固温度发生变化；
➢ 固液界面前方液相中实际温度分布梯度GL必须满足一定值。
G ≤dTx dx
x=0
Tx =T0 - m(Cx - C0 )
dTx =- m dCx
金属凝固原理复习大纲
金属凝固原理复习大纲绪论1、凝固定义宏观上：物质从液态转变成固态的过程.微观上：激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程。
2、液态金属凝固的实质:原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程液态金属的结构特征:“近程有序”、“远程无序”组成:液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成3、液态金属的性质：粘度和表面张力粘度的物理意义：单位接触面积，单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力粘度的本质上是原子间的结合力影响液体金属粘度的主要因素是：化学成分、温度和夹杂物表面张力的物理意义：作用于表面单位长度上与表面相切的力,单位N/m影响液体金属表面张力的主要因素是:熔点、温度和溶质元素。
取决于质点间的作用力4、液体结构的特性：近程有序和远程无序晶体：凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。
单晶体：在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体多晶体：大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。
吸附是液体或气体中某种物质在相界面上产生浓度增高或降低的现象。
金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶当向溶液中加入某种溶质后,使溶液表面自由能降低，并且表面层溶质的浓度大于溶液内部深度，则称该溶质为表面活性物质（或表面活性剂），这样的吸附称为正吸附.反之，如果加入溶质后，使溶液的表面自由能升高,并且表面层的溶质浓度小于液体内部的浓度，则称该溶质为非表面活性物质（或非表面活性剂），这样的吸附为负吸附第一章凝固过程的传热1、凝固过程的传热特点：“一热、二迁、三传”“一热”指热量的传输是第一重要；“二迁”指存在两个界面，即固－液相间界面和金属－铸型间界面。
“三传”指动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维热物理过程。
2、金属型特点：具有很高的导热性能；非金属型铸造特点：与金属相比具有非常小热导率，故凝固速度主要取决于铸型的传热性能。
铸型外表面温度变化不大,故可把铸型看成是半无限厚的。
铸造金属凝固原理-第10章定向凝固技术
单晶叶片 选晶段
起始段
— 起始段： — 晶粒生长分三个阶段：急冷等轴晶，择优竞争、稳定。 — 高度：整个起始段的高度要保证第三阶段高度足以使90％
以上的[001]柱晶取向偏离度小于10o，通常大于25 mm。 — 影响因素：合金溶质浓度加大，柱状晶倾向减小，起始段
高度相应地增加。
— 选晶段的形状与尺寸 ：起始段柱状晶生长的延伸，进入选 晶段的柱状晶通过多次接近直角拐弯，淘汰了一批柱状晶， 最后仅允许一个柱状晶晶粒长入铸件本体。
凝固组织的形成过程
10.1定向凝固工艺
1 定向凝固工艺参数
• 主要工艺参数：GL、v ① 液相温度梯度GL ① 重要性：形态、速度、质量
G ≥ mC 0(1- k 0)
v
DL k0
λS
(
dTS dx
)x
=X
=λL
(dTL dx
)x
=X
+ρmL
dx dτ
λSGS =λLGL +ρmLv
GL
=λSGS λL
-ρmLv λL
)
=GS
• 采用快速凝固法时，GL受到铸件拉出速度、热辐射条件和 铸件径向尺寸的影响。在稳定态生长条件下，铸件拉出的 临界速率主要受到铸件辐射传热的特性的影响，其关系式 如下：设上式中GL=0为临界条件，则
VCT
= 2σαε rρm L
(T
4 m
1
-T04 ) 2
2 定向凝固的工艺方法 ① 发热剂法 工艺： 加热铸型→放置水冷板→浇注。 特点： 无法调节凝固速度v和GL 应用： 制备小的柱状晶铸件，多用于磁
2 柱状晶的力学性能
单晶、柱状晶、等轴晶Mar-M200的力学性能
东大金属凝固原理第六章
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二、单晶生长的方法 根据熔区的特点，单晶生长的方法可以分为正常凝 固法和区熔法。
(一) 正常凝固法
正常凝固法制备单 晶，最常用的有坩 埚移动、炉体移动 及晶体提拉等单向 凝固方法。
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1、坩埚移动或炉体移动单向凝固法 最常用的是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，单 晶体从尖底部位缓慢向上生长；也可以将“籽晶”放 在坩埚底部，当坩埚向下移动时， “籽晶”处开始
8
二、单向凝固的方法
1.发热剂法
型壳(精密铸造壳型)放在绝热箱中，底部放水 冷结晶器,浇铸金属后，在上部盖发热剂，使 上部金属处于高温，四周绝热,下部冷却,建立 自下而上的凝固条件。
缺点:无法调节GL 和R，制备小型柱状晶铸件(叶
片)。
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2.功率降低法(P.D法) 加热线圈分成两段， 铸件不移动，型壳加热到 一定温度，向型壳内加入 过热的金属液，切断下部
1
§６-1 定向凝固工艺
单向凝固又称单向结晶，是使金属或合金由熔 体中单向生长晶体的一种工艺方法。单向凝固是用 于制备单晶、柱状晶和内生复合材料的凝固工艺方 法。其中最重要的工艺参数是：
GL-固液界面前沿液相中的温度梯度
R-固液界面前沿推进速度，晶体生长速度。
GL/R是控制晶体长大形态的重要判据（影响界面 稳定性） 在提高GL的条件下，增加R，才获得所要求的晶体 形态，细化组织，改善质量，并且提高单向凝固铸 件的生产率。
向右，每重熔一次都有提纯作用，纯度提高一
次，经多次重熔，得到高纯材料。
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区域提纯效果与K0和搅 拌程度有关。 K0越小， 搅拌越好，提纯效果越 好。感应加热，电磁搅 拌，液相溶质分布均匀， 界面前沿溶质浓度低， 固相中的溶质少，提纯 效率高。
金属凝固原理 第8章
• 界面张力之间三种不同的情况
L1 L2 L1L2 cos
L2 L1 L1L2 L1 L2 L1L2
① α相和L2部分润湿
L1 L2 L1L2 cos
α相和L2并排生长， L2生长时吸收α相生长时排除的B组 元，并被固相拉长。类似共晶时。当达到共晶温度时， 转变为共晶组织，凝固后的组织为在α相基底上分布着 棒状或纤维状的β相。
非规则共晶的相组成：金属（非小平面）—非金属（小平 面）。
形态：根据凝固条件（化学成分、冷却速度、冶金处理） 而变化。其小平面生长具有强烈的方向性，固液界面为特 定的晶面，属二维生长。共晶界面极不规则。
2 共晶合金的结晶方式 • 根据两相析出的相互关系分为共生生长和离异生长两种 ① 共晶合金的共生生长 • 共生生长的两个基本条件： — 两相生长能力相近，后析出相容易在先析出相上形核； — 两组元在界面前沿的横向传输能保证两相等速生长的需要。
′
x
′=0
=- v DL
(C E
-Cβm )，
Sα ≤y ≤Sβ
DL∇2CL +v ∂∂CxL′=0
∂2C L + ∂2C L ∂x ′2 ∂y 2
+v DL
∂∂CxL′= 0
∞
∑ ( ) CL -C E=
( ) n=1
λv nπ 2 DL
C βm-Cαm
-
e
2nπx λ
′cos2nπ
y
λ
— 共晶层片间距
•
（2）第三组元的影响 ① 钠变质处理对铝合金的影响
② 第三组元对铁碳合金的影响
•1
8.2 偏晶合金的凝固
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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。
例如，金属中的杂质和微合金元素会影响到凝固温度和凝固速度。
凝固过程中的溶质偏聚现象也会导致金属凝固过程的非均匀性。
此外，外
界条件如压力、包封及热处理等也会对金属凝固过程产生影响。
综上所述，金属凝固是一个复杂的物理过程，其涉及的原理包括热力
学和动力学原理。
金属凝固过程的成功与否直接影响到金属的性能和结构。
因此，对金属凝固原理的深入研究对于金属加工和制造具有重要意义。