金屬凝固理論1主要參考資料1）李言祥.材料加工原理，清華大學出版社，2005.102）胡漢啟.金屬凝固原理.機械工業出版社，1991.53）柳百成.21世紀的材料成形加工技術與科學.機械工業出版社，2004.321凝固科學技術與材料發展3本章主要內容一.了解凝固的特點二.了解凝固科學形成的標志性成果三.了解凝固科學技術與材料發展的關系本章主要內容一.了解凝固的特點41.1凝固的特點及凝固技術的發展1.1.1凝固的特點凝固：液體轉變為固體的過程。是一種極為普遍的物理現象。幾乎一切金屬制品在其生產流程中都要經歷一次或多次的凝固過程.凝固與結晶（一次結晶）的區別：凝固是一種狀態的轉變，結晶不僅狀態改變，而且發生晶體的析出。通常是指晶體材料的凝固。

5材料凝固的特點：凝固過程具有很寬的冷卻范圍。冷卻速率：從極慢的10-6K/s到超高速的1011K/s冷卻速度范圍冷速(K．S-1)及類型典型生產加工過程枝晶臂間距(μm)10-6—10-3慢冷大型鑄件和鑄錠5000—50010-3—100中等冷速小型鑄件鑄錠、連續鑄坯和鑄棒500—50100—103近快速冷卻帶狀鑄件、壓鑄件，粗大型粉末優質鑄件、噴射成形鑄件、半固態鑄件、復合材料鑄件50—5103—109快速冷卻甩帶、電子束和激光表面熔化5—0．05凝固加工的冷卻速度范圍與特點61.1.2凝固技術的發展一、凝固工藝的發展從鑄冶工藝（不控制）→常規可控凝固（加冷鐵、冒口，提高鑄件致密性）→定向凝固（改變組織形態，如單晶）→快速凝固（形成非晶）→空間凝固（無重力、無偏析）→超常凝固（高壓凝固，改變材料的熔點）；7二、凝固材料體系的發展從結構材料→功能材料→結構功能材料；從金屬（合金）→金屬間化合物→金屬基復合材料→金屬/非金屬復合材料；從多晶→單晶→微晶→非晶。81.2凝固科學的形成20世紀40年代前，無公認的凝固理論。下列凝固理論推動了凝固學科的發展。一、液固相變形核理論20世紀40-50年代，Turnbull和Fisher在經典形核理論基礎上，建立了液固相變形核理論。指出晶核形成速率I是溫度、臨界晶核形成功ΔGc和原子液固相變激活能ΔGb的函數。9I=A·exp（-ΔGb/Kt）·exp（-ΔGc/Kt）二、成分過冷理論1953年哈佛大學教授Chalmers及其合作者對金屬凝固中液固界面形態的仔細考察，提出界面穩定性概念和成分過冷理論，并導出了著名的成分過冷判據：G-溫度梯度，V-凝固速率，公式左邊為可以調整的工藝參數。公式右邊為材料自身性質。10三、界面穩定性線性動力學理論1964年Mullins和Sekerka將流體動力學方法及干擾技術應用于凝固中的界面穩定性問題，提出了界面穩定性的線性動力學理論。——振幅隨時間的變化率——振動頻率——表面張力常數——液相線斜率——凝固速度——液相中的溫度梯度——溶質的濃度梯度——溶質在液相中的擴散系數11M-S理論是成分過冷理論的更一般形式。當V很小時，M-S理論回到成分過冷理論。四、共晶生長理論1966年Jackson和Hunt對正常共晶的偶合生長作了定量描述，提出了J-H模型。該模型通過求解穩定擴散場方程，得到界面過冷度與共晶間距的關系。——過冷度——常數——共晶片間距12五、快速凝固晶體生長理論快速凝固的主要特征：界面局部平衡的假設不成立，液相線斜率、擴散系數、溶質分配系數均是生長速率的函數。瑞士學者Kurz和Trivedi綜合平界面理論、枝晶尖端穩定性理論及快速凝固溶質陷落理論，建立了一個描述從枝晶再到平界面絕對穩定區內的界面形態演化規律及快速定向凝固下尖端半徑與生長速度關系的KGT模型。131.3凝固科學技術與材料發展1.3.1凝固科學與凝固加工的研究內容凝固科學：應用數學、物理、化學、工程學研究凝固過程的形核、生長、傳熱、傳質，結構演化等；凝固加工：應用凝固科學理論進行結構控制（宏觀組織如：晶粒形態及尺寸；微觀組織；組織均勻性、致密性；晶體缺陷；加工缺陷如氣孔、夾雜等。）從而達到控形（近終形、表面完整性、尺寸精度）和控性（力學、物理、化學性能）141.3.2凝固理論促進材料發展一、優質鑄件凝固優質鑄件凝固加工的發展目標是：凈/近凈成形—精確