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—精确控形；组织结构控制—精确控构；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、连续铸轧等2）精确控制凝固过程，纯净化、细晶化、均质化3）凝固加工过程的模拟仿真15二、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16目前实用化或研究较多的定向凝固有1)、单晶叶片的定向凝固定向单晶叶片消除了晶界，晶体沿[001]特定方向生长，提高了初熔温度和固溶温度，使得高温性能大幅度提高2）晶向择优控制的定向凝固针对各向异性的金属间化合物，特别是其最佳性能方向与晶体择优生长方向不一致的材料17高温合金铸造单晶组织三、单晶生长整个零件由一个晶粒组成，晶粒内有若干柱状枝晶，枝晶是十字形状，枝晶干互相平行，具有相同的取向18四、快速凝固快速凝固定义：通过特殊的凝固装置，使液相到固相的转变过程进行得非常快，从而获得普通铸造方法所无法获得的成分、显微组织的过程快速凝固的冷却速度通常可以达到

10４-109℃／s美国联信公司MeltSpining快速凝固技术年产4万吨的宽10mm的非晶带19五、深过冷凝固熔体达到很高的过冷度而不发生结晶。原子冻结，使得合金的玻璃转化温度提高，容易得到非晶组织、准晶组织或超细晶组织一般借助快速凝固技术与熔体净化的复合作用20六、超常凝固超常凝固是指在某些特殊条件、特殊环境下区别于一般公认常规条件下的凝固。如太空凝固（无重力凝固）、强电场或磁场凝固、高压凝固等重力是系统中引起自然对流的重要驱动力之一，对流造成成分不均匀及结构不完整如偏析、位错、空洞、杂晶、条带等211.4凝固科学与凝固加工技术的发展重点凝固科学是凝聚态物理及材料科学的重要组成部分。研究重点1、熔体结构与相转变的热力学与动力学2、非平衡凝固3、界面动力学4、微观组织的生长5、对流效应6