第一章 凝固科学技术与材料发展

金属凝固理论1主要参考资料1）李言祥.材料加工原理，清华大学出版社，2005.102）胡汉启.金属凝固原理.机械工业出版社，1991.53）柳百成.21世纪的材料成形加工技术与科学.机械工业出版社，2004.321凝固科学技术与材料发展3本章主要内容一.了解凝固的特点二.了解凝固科学形成的标志性成果三.了解凝固科学技术与材料发展的关系本章主要内容一.了解凝固的特点41.1凝固的特点及凝固技术的发展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。

5材料凝固的特点：凝固过程具有很宽的冷却范围。冷却速率：从极慢的10-6K/s到超高速的1011K/s冷却速度范围冷速(K．S-1)及类型典型生产加工过程枝晶臂间距(μm)10-6—10-3慢冷大型铸件和铸锭5000—50010-3—100中等冷速小型铸件铸锭、连续铸坯和铸棒500—50100—103近快速冷却带状铸件、压铸件，粗大型粉末优质铸件、喷射成形铸件、半固态铸件、复合材料铸件50—5103—109快速冷却甩带、电子束和激光表面熔化5—0．05凝固加工的冷却速度范围与特点61.1.2凝固技术的发展一、凝固工艺的发展从铸冶工艺（不控制）→常规可控凝固（加冷铁、冒口，提高铸件致密性）→定向凝固（改变组织形态，如单晶）→快速凝固（形成非晶）→空间凝固（无重力、无偏析）→超常凝固（高压凝固，改变材料的熔点）；7二、凝固材料体系的发展从结构材料→功能材料→结构功能材料；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。81.2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。9I=A·exp（-ΔGb/Kt）·exp（-ΔGc/Kt）二、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-温度梯度，V-凝固速率，公式左边为可以调整的工艺参数。公式右边为材料自身性质。10三、界面稳定性线性动力学理论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。——振幅随时间的变化率——振动频率——表面张力常数——液相线斜率——凝固速度——液相中的温度梯度——溶质的浓度梯度——溶质在液相中的扩散系数11M-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。四、共晶生长理论1966年Jackson和Hunt对正常共晶的偶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。——过冷度——常数——共晶片间距12五、快速凝固晶体生长理论快速凝固的主要特征：界面局部平衡的假设不成立，液相线斜率、扩散系数、溶质分配系数均是生长速率的函数。瑞士学者Kurz和Trivedi综合平界面理论、枝晶尖端稳定性理论及快速凝固溶质陷落理论，建立了一个描述从枝晶再到平界面绝对稳定区内的界面形态演化规律及快速定向凝固下尖端半径与生长速度关系的KGT模型。131.3凝固科学技术与材料发展1.3.1凝固科学与凝固加工的研究内容凝固科学：应用数学、物理、化学、工程学研究凝固过程的形核、生长、传热、传质，结构演化等；凝固加工：应用凝固科学理论进行结构控制（宏观组织如：晶粒形态及尺寸；微观组织；组织均匀性、致密性；晶体缺陷；加工缺陷如气孔、夹杂等。）从而达到控形（近终形、表面完整性、尺寸精度）和控性（力学、物理、化学性能）141.3.2凝固理论促进材料发展一、优质铸件凝固优质铸件凝固加工的发展目标是：净/近净成形—精确