《熔化和凝固的》课件

熔化和凝固从原子和分子的角度探讨物质的熔化和凝固过程。了解这些基本物理现象对工业和生活应用有重要意义。M什么是熔化和凝固物质的熔化熔化是一种物质从固体状态转变为液体状态的过程。在加热的作用下，固体物质会吸收热量并打破其分子间的结合力，从而发生熔化。物质的凝固凝固是一种物质从液体状态转变为固体状态的过程。当液体物质失去热量并达到临界温度时，其分子间会重新形成结合力而变为固体。相互转换物质的熔化和凝固是相互依存的过程,在一定温度条件下可以相互转换。这种相变是材料性质和结构的根本基础。材料的三种状态固态固体材料具有固定的形状和体积,分子或原子紧密排列,难以发生变形。代表性有金属、陶瓷、塑料等。液态液体材料具有不固定的形状但固定的体积,分子或原子较为松散,易于流动变形。代表性有水、汽油等。气态气体材料具有不固定的形状和体积,分子或原子排列极为松散,可以自由扩散。代表性有空气、氧气等。液体的特性重力作用液体受重力影响并流动,在容器中能自由流动。表面张力液体表面分子之间的吸引力形成表面张力,使液体能保持一定的形状。粘滞性不同液体内部分子之间的摩擦力不同,造成粘滞性的差异。固体的特性结构有序固体材料的原子或分子呈现有序排列,形成固有的几何结构,这赋予了固体物质独特的机械和物理性质。高密度固体材料通常密度较高,原子/分子紧密排列,与气体和液体相比具有较小的体积。抗压能力强固体材料分子间相互作用力大,可以抵御外力的压缩变形,在受力时表现出良好的支撑和承载能力。形状稳定固体材料具有固有的形状和体积,不会像液体和气体那样轻易变形。这使固体在应用中具有稳定性。物质在温度变化时的相变熔化当固体物质受热时,其原子/分子的热运动加剧,最终打破晶体结构,物质由固体转变为液体,这个过程称为熔化。凝固当液体物质冷却时,其原子/分子的热运动减弱,重新排列形成有序的晶体结构,物质由液体转变为固体,这个过程称为凝固。汽化和液化当温度继续升高,液体物质可以转变为气体,这个过程称为汽化。反之,当温度降低,气体物质可以转变为液体,这个过程称为液化。相图的概念1相图定义相图是用来描述物质在温度和压力等条件下各种相态的变化关系的图形。2相图作用相图可以预测物质在不同条件下的状态变化,指导材料的制备和加工。3相图构成相图由温度-压力坐标系组成,点、线和区域代表不同相态的存在条件。4相图应用相图在材料科学、化学工程等领域广泛应用,是研究相变过程的重要工具。单组分相图单组分相图用于描述单一种类化合物在不同温度和压力条件下的相态变化。相图明确了化合物的熔点、沸点以及固相、液相和气相的区域。通过相图可以预测物质在温度或压力变化时会发生的相变。这对于理解和控制材料的熔化、凝固、蒸发和凝华过程十分重要。二元相图二元相图是描述两种组分之间相平衡关系的图形。它可以清楚地展示在不同温度和组成条件下材料的相态，包括固态、液态和气态。通过分析二元相图可以预测材料在固化过程中的相变行为，为材料设计和工艺优化提供重要依据。相图特征相图示意图相图能够直观地展示物质在不同温度和压力条件下的相态变化。每种物质都有自己独特的相图，反映了其相变规律。相界线相图中的相界线代表了不同相态之间的分界线。这些线条标明了温度和压力变化时物质发生相变的条件。临界点相图中的临界点是物质从气态到液态或从液态到固态的临界状态点。这一点标志着相变的临界状态。共晶反应什么是共晶反应共晶反应是两种或多种成分在特定的温度下形成一种新的固溶体相。这种固溶体相的熔点比单一成分的熔点都要低。共晶组成的特点共晶组成的成分比例是固定的,在相图上表现为一个固定的点。这个点对应着最低的共晶温度。共晶反应的重要性共晶反应在金属合金、陶瓷和高分子材料的制备中都有广泛应用,可以改善材料的机械性能和加工性。过冷度和过热度过冷度过冷度是指液体在不发生相变的情况下,温度低于正常凝固点的现象。这种情况下液体会处在亚稳状态,一旦触发就会瞬间结晶。过冷度可以提高材料的性能,但是也可能导致材料结构异常。过热度过热度是指固体在不发生熔融的情况下,温度高于正常熔点的现象。这种情况下固体会处在亚稳状态,一旦触发就会迅速熔化。过热度可以促进材料的加工成型,但是也可能导致材料的性能劣化。冷却曲线11.温度-时间图描述材料在冷却过程中温度随时间的变化。22.相变点标记标识材料在冷却过程中发生相变的温度点。33.冷却速率计算根据曲线斜率计算材料的冷却速率。44.分析相变过程结合相图解释材料在不同温度点的相变行为。冷却曲线是材料在冷却过程中温度随时间的变化图。通过分析冷却曲线，我们可以确定材料在不同温度下的相变点，并计算出冷却速率。这些信息对于理解材料的结构演变和性能特性至关重要。金属的结晶过程1成核在熔体中，温度降低到某个临界温度后，会出现大量微小的晶核，这些晶核会逐渐长大形成晶粒。2晶粒生长晶核在熔体中吸收周围原子,使晶体逐渐长大。生长速度受温度、成分等因素影响。3晶界形成当相邻的晶粒相互碰撞并阻碍彼此生长时,就会形成晶界,晶界是结构缺陷。金属的结晶过程1核化熔融金属在冷却过程中形成初始晶核2生长晶核周围的物质不断附着在其表面上3团聚晶粒逐渐长大并相互接触形成晶粒边界金属材料在凝固过程中会发生结晶,这个过程包括三个主要阶段:核化、生长和团聚。首先在熔融金属中形成初始的晶核,然后随着温度的降低,晶核周围的物质不断附着在其表面上发生生长;而后各个晶粒相互接触形成晶粒边界。这个过程决定了金属材料的微观组织和性能。熔体的冷却和固化1成核在过冷液体中形成晶核2晶核生长晶核在温度梯度的推动下向外生长3枝晶体形成晶核在三维空间中自由生长形成树枝状晶体4晶粒长大晶粒边界移动和吞并小晶粒形成大晶粒熔融体在冷却过程中会经历成核、晶体生长等阶段最终形成固体材料。过冷度和冷却速度是影响固化过程的关键因素。控制熔体冷却可以调控材料的晶粒尺寸和组织形态,进而优化材料性能。铸造工艺铸造模具铸造模具是制造铸件的基本工具，通过精心设计和制造可以确保铸件质量。浇注工艺合理的浇注工艺可以控制金属流动和凝固过程，避免缺陷的产生。冷却控制通过合理控制冷却速率和温度梯度可以调控铸件的组织和性能。晶粒细化技术1添加核生成剂在熔体中添加微小的不溶性颗粒,为新晶粒的形成提供有利的晶核。2变化冷却速率适当控制冷却速率,使更多的晶粒得以形成而不被过大的晶粒所取代。3机械搅拌在熔体冷却过程中进行机械搅拌,可以打断晶粒的生长,形成更细小的晶粒。4化学成分调控通过调整合金成分,可以改变材料的相变动力学,从而影响晶粒尺寸。加工工艺对金属结构的影响金属加工工艺金属加工工艺如锻造、压延、铸造等会对金属结构产生重大影响,改变晶粒大小、形状和取向。晶粒结构变化加工后金属晶粒会发生变形和再结晶,从而改变材料的性能和使用寿命。内部缺陷不合理的加工工艺可能会引入内部缺陷如气孔、夹杂物等,影响金属零件的强度和可靠性。热处理工艺熔炼通过高温将材料熔化,然后进行铸造或挤压成型。熔炼可以充分混合材料成分,提高材料均匀性。加热将材料加热到一定温度,通过控制加热过程改变材料结构,从而调整材料性能。淬火将热处理后的材料快速冷却,可以提高材料硬度和强度。通过不同的冷却方式可以获得不同的组织结构。回火应力消除回火是一种热处理工艺,可以降低材料内部残余应力,提高金属的塑性和韧性。组织改善回火会改变金属的晶粒结构和相组成,使其达到所需的力学性能和使用性能。硬度调整通过控制回火温度和时间,可以调整金属的硬度和强度,满足不同应用需求。退火缓慢冷却退火是将金属加热到适当温度并缓慢冷却的工艺,目的是消除内部应力,改善机械性能。晶粒长大退火过程中,金属晶粒会不断长大,提高了塑性和韧性。热处理温度退火温度通常低于材料的临界温度,以避免发生相变。应用领域退火广泛应用于塑造金属零件,以改善其加工性能。淬火定义淬火是一种热处理工艺,通过快速加热和急冷的方式改变金属材料的内部结构,提高其硬度和强度。过程将钢件加热到奥氏体转变温度以上,保温一段时间后立即浸入水、油或盐水中进行急冷。目的通过淬火可以获得优异的机械性能,如高硬度、耐磨性和疲劳强度,为更好的工艺应用奠定基础。时效处理时效的目的时效处理可以提高金属材料的强度、硬度和韧性等性能,是重要的工艺措施。时效过程通过高温保温、快速冷却和时效温度保温等步骤,使合金的性能获得优化。时效机理时效过程中合金成分元素的析出和转变,导致晶格失衡,从而提高强度。时效类型按温度分为自然时效和人工时效,根据合金不同有多种时效处理方式。应力消除热处理通过控制金属的加热和冷却速率来释放内部应力,从而达到调整金属组织和性能的目的。喷砂处理利用高速小钢球击打金属表面,产生表面压缩应力来抑制裂纹的扩展,提高疲劳寿命。激光冲击利用高能激光脉冲照射金属表面,产生高峰值压缩应力,可有效消除表面和近表面的残余拉应力。陶瓷材料的烧结初始成型将陶瓷粉末在一定压力下压制成型,形成坯体。脱脂通过升温去除成型过程中加入的有机物质。烧结在高温下,陶瓷颗粒发生粘结和致密化,形成坚硬的陶瓷制品。冷却合理的冷却控制可以避免陶瓷在冷却过程中发生裂纹。玻璃的形成1熔融玻璃将原料熔融成高粘度液体2高温冷却快速冷却以避免结晶3固化成型使熔融玻璃固化成所需形状玻璃的形成过程主要包括三个步骤:首先将原料熔融成高粘度的液体玻璃,然后进行快速冷却以避免结晶,最后使液体玻璃固化成所需要的形状。这种快速冷却的过程使得玻璃不会形成有序的晶体结构,而是呈现无定型的非晶态结构。高分子材料的固化过程加热固化热固性聚合物在加热过程中发生化学反应，分子间形成交联网状结构，从而获得坚硬和耐热的固体材料。化学固化通过加入催化剂或交联剂，促进高分子分子间的化学反应和交联，从而实现固化过程。光固化UV光照射可激发光敏性单体或寡聚物发生光化学反应，快速实现固化成型。常用于制造涂料和粘合剂。相变对材料性能的影响流动特性的变化相变会显著改变材料的流动特性。从固态到液态会大大提高流动性，从而影响材料的加工工艺。反之从液态到固态会降低流动性，增加加工难度。力学性能的差异材料在固态和液态时的密度、强度、硬度等力学性能存在显著差异。相变会导致材料结构和原子排布的重大变化，从而影响其力学特性。电磁特性的变化相变会改变材料的电导率、磁性等电磁性能。例如铁从铁素体转变为奥氏体时,其磁性会发生剧烈变化。这种变化在电子元件制造中很关键。热学性质的变化相变过程中材料会吸收或释放大量热量,导致热容、导热系数等热学性质发生显著变化。这种变化在热处理工艺中至关重要。相转变的工程应用1相变在金属加工中的应用相变可以用于改善金属的硬度、强度和耐腐蚀性能,如通过热处理等工艺实现