凝固技術(shù)緒論

1、凝固技術(shù)凝固技術(shù)緒論緒論 凝固過程的研究對象凝固過程的研究對象 凝固過程的研究方法凝固過程的研究方法 凝固過程理論的研究進(jìn)展凝固過程理論的研究進(jìn)展 凝固技術(shù)及其應(yīng)用凝固技術(shù)及其應(yīng)用 金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程 凝固是一種物質(zhì)由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的相變過程。在自然界凝固是一種物質(zhì)由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的相變過程。在自然界是一種常見的現(xiàn)象。是一種常見的現(xiàn)象。 凝固現(xiàn)象廣泛存在于自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域。從水的結(jié)冰凝固現(xiàn)象廣泛存在于自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域。從水的結(jié)冰到火山熔巖的固化，從鋼鐵生產(chǎn)過程中鑄錠的形成到機(jī)械到火山熔巖的固化，從鋼鐵生產(chǎn)過程中鑄錠的形成到機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域各種構(gòu)件的鑄造成型，以及非晶、微晶

2、材料的快工業(yè)領(lǐng)域各種構(gòu)件的鑄造成型，以及非晶、微晶材料的快速凝固，半導(dǎo)體及各種功能晶體的液相生長，所有這些過速凝固，半導(dǎo)體及各種功能晶體的液相生長，所有這些過程無不伴隨有凝固現(xiàn)象。幾乎一切金屬制品在其生產(chǎn)流程程無不伴隨有凝固現(xiàn)象。幾乎一切金屬制品在其生產(chǎn)流程中都要經(jīng)歷一次或者一次以上的凝固過程。中都要經(jīng)歷一次或者一次以上的凝固過程。 認(rèn)識(shí)和探索并解釋凝固過程中的各種現(xiàn)象、并探究凝固規(guī)認(rèn)識(shí)和探索并解釋凝固過程中的各種現(xiàn)象、并探究凝固規(guī)律的活動(dòng)已持續(xù)數(shù)千年。自律的活動(dòng)已持續(xù)數(shù)千年。自50年代以來，在現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)年代以來，在現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)上，凝固研究進(jìn)展很快，已形成一個(gè)理論體系，即凝固原上，凝固研究進(jìn)

3、展很快，已形成一個(gè)理論體系，即凝固原理（或者叫凝固理論）。理（或者叫凝固理論）。自然界中的凝固現(xiàn)象自然界中的凝固現(xiàn)象能夠利用火去生產(chǎn)、熔化、鑄造金屬如銅、青銅和鋼等，是人類進(jìn)化史上的里能夠利用火去生產(chǎn)、熔化、鑄造金屬如銅、青銅和鋼等，是人類進(jìn)化史上的里程碑。程碑。利用火來去除金屬中的礦物雜質(zhì)來獲得金屬和合金直接促進(jìn)工具及其它利用火來去除金屬中的礦物雜質(zhì)來獲得金屬和合金直接促進(jìn)工具及其它產(chǎn)品的生產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)。幾千年后的今天，凝固技術(shù)依然被認(rèn)為是最重要的制造技術(shù)之一幾千年后的今天，凝固技術(shù)依然被認(rèn)為是最重要的制造技術(shù)之一。成千百萬噸的鋼、鋁合金、銅和鋅都是通過凝固技術(shù)來生產(chǎn)的。凝固技術(shù)也用成千百萬

4、噸的鋼、鋁合金、銅和鋅都是通過凝固技術(shù)來生產(chǎn)的。凝固技術(shù)也用于制造特定用途的部件如鋁合金汽車輪轂。凝固是生產(chǎn)金屬坯錠、鑄錠的一道于制造特定用途的部件如鋁合金汽車輪轂。凝固是生產(chǎn)金屬坯錠、鑄錠的一道重要工序，鑄錠或者坯錠再經(jīng)過熱作工藝或者冷作工藝最終變成板材、線材、重要工序，鑄錠或者坯錠再經(jīng)過熱作工藝或者冷作工藝最終變成板材、線材、棒材和帶材等，凝固技術(shù)也被應(yīng)用于金屬連接技術(shù)。棒材和帶材等，凝固技術(shù)也被應(yīng)用于金屬連接技術(shù)。我們也我們也應(yīng)用凝固技術(shù)制造無機(jī)玻璃應(yīng)用凝固技術(shù)制造無機(jī)玻璃，如硅酸鹽玻璃就是采用浮法技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，如硅酸鹽玻璃就是采用浮法技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的。的。高質(zhì)量的光纖和玻璃纖維等高質(zhì)量的

5、光纖和玻璃纖維等也是通過熔融玻璃的凝固來生產(chǎn)的。在無機(jī)玻也是通過熔融玻璃的凝固來生產(chǎn)的。在無機(jī)玻璃的凝固過程中，會(huì)得到非晶態(tài)材料。在玻璃纖維的生產(chǎn)過程中，我們首先鑄璃的凝固過程中，會(huì)得到非晶態(tài)材料。在玻璃纖維的生產(chǎn)過程中，我們首先鑄成非晶態(tài)玻璃材料，然后通過熱處理使其結(jié)晶以提高材料的強(qiáng)度。許多成非晶態(tài)玻璃材料，然后通過熱處理使其結(jié)晶以提高材料的強(qiáng)度。許多熱塑性熱塑性塑料塑料如聚乙烯、如聚乙烯、PVC等就是通過與熔化和凝固技術(shù)相關(guān)的工藝被制造成諸如纖等就是通過與熔化和凝固技術(shù)相關(guān)的工藝被制造成諸如纖維、管材、玩具和器皿等。維、管材、玩具和器皿等。凝固是一門極其重要的技術(shù)，被凝固是一門極其重要的技

6、術(shù)，被用來控制液相法制造用來控制液相法制造的產(chǎn)品和工具的性能的產(chǎn)品和工具的性能。凝固原理的工程應(yīng)用凝固原理的工程應(yīng)用-凝固技術(shù)凝固技術(shù)凝凝固固過過程程的的研研究究對對象象和和方方法法合合成成/制制備備效效能能性性質(zhì)質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)/成分成分?jǐn)?shù)學(xué)解析方法：對于一個(gè)科學(xué)問題，如果能夠用數(shù)學(xué)語言精確地進(jìn)行描數(shù)學(xué)解析方法：對于一個(gè)科學(xué)問題，如果能夠用數(shù)學(xué)語言精確地進(jìn)行描述是科學(xué)工作者最高的追求，也是一門學(xué)科發(fā)展成熟的標(biāo)志。數(shù)學(xué)解析述是科學(xué)工作者最高的追求，也是一門學(xué)科發(fā)展成熟的標(biāo)志。數(shù)學(xué)解析包括數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)理方程求解。在凝固過程中遇到的許多問題，包括數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)理方程求解。在凝固過程中遇到的許多

7、問題，能夠找到解析解的非常有限。因此，其它研究方法必不可少。能夠找到解析解的非常有限。因此，其它研究方法必不可少。數(shù)值計(jì)算方法：當(dāng)建立的數(shù)學(xué)模型無法找到解析解的時(shí)候，數(shù)值計(jì)算方數(shù)值計(jì)算方法：當(dāng)建立的數(shù)學(xué)模型無法找到解析解的時(shí)候，數(shù)值計(jì)算方法是解決問題的有效途徑。它需要對已有的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散處理，將法是解決問題的有效途徑。它需要對已有的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散處理，將連續(xù)的過程轉(zhuǎn)化為離散數(shù)值點(diǎn)。在數(shù)值點(diǎn)密度非常大、間距非常小的情連續(xù)的過程轉(zhuǎn)化為離散數(shù)值點(diǎn)。在數(shù)值點(diǎn)密度非常大、間距非常小的情況下，可以較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。常用的離散方法包括差分法和有況下，可以較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。常用的離散方法包括

8、差分法和有限元法。限元法。實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法能夠驗(yàn)證理論模型的合理性，且對于尚無法找到數(shù)實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法能夠驗(yàn)證理論模型的合理性，且對于尚無法找到數(shù)學(xué)模型的過程，實(shí)驗(yàn)方法是解決問題的有效途徑。實(shí)驗(yàn)方法還是獲得物學(xué)模型的過程，實(shí)驗(yàn)方法是解決問題的有效途徑。實(shí)驗(yàn)方法還是獲得物理性能參數(shù)和發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新規(guī)律的有效手段和途徑。設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)＠硇阅軈?shù)和發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新規(guī)律的有效手段和途徑。設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍踢^程系統(tǒng)地研究，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，往往型，通過對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍踢^程系統(tǒng)地研究，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，往往能夠找出適用范圍廣的一般性規(guī)律，并可能發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象。能夠找出適用范圍廣的一般

9、性規(guī)律，并可能發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象。凝固過程的研究方法凝固過程的研究方法凝固過程的理論研究大體上經(jīng)歷了三個(gè)階段：凝固過程的理論研究大體上經(jīng)歷了三個(gè)階段：5060年代為經(jīng)典凝固理論誕生期。在年代為經(jīng)典凝固理論誕生期。在Chalmers指導(dǎo)下，指導(dǎo)下，Tiller, Jackson, Rutter等于等于50年代初期在對凝固界面附近溶質(zhì)分布求解的基礎(chǔ)上年代初期在對凝固界面附近溶質(zhì)分布求解的基礎(chǔ)上提出了著名的成分過冷理論，首次將傳質(zhì)和傳熱因素耦合起來分析凝固過提出了著名的成分過冷理論，首次將傳質(zhì)和傳熱因素耦合起來分析凝固過程的組織形態(tài)問題。程的組織形態(tài)問題。 之后，之后，Jackson和和Hunt提出枝晶

10、和共晶合金凝固過程擴(kuò)散場的理論解，提出枝晶和共晶合金凝固過程擴(kuò)散場的理論解，并獲得枝晶及共晶間距與凝固條件（溫度梯度和凝固速率）的關(guān)系式，得并獲得枝晶及共晶間距與凝固條件（溫度梯度和凝固速率）的關(guān)系式，得到試驗(yàn)支持。到試驗(yàn)支持。 Flemings等從工程角度出發(fā)，進(jìn)一步考慮凝固過程兩相區(qū)內(nèi)的液相流動(dòng)等從工程角度出發(fā)，進(jìn)一步考慮凝固過程兩相區(qū)內(nèi)的液相流動(dòng)效應(yīng)，提出局部溶質(zhì)再分配方程等理論模型，推動(dòng)了凝固理論的發(fā)展。效應(yīng)，提出局部溶質(zhì)再分配方程等理論模型，推動(dòng)了凝固理論的發(fā)展。 前蘇聯(lián)學(xué)者前蘇聯(lián)學(xué)者Be 從鑄造工程角度，對凝固過程的傳熱問題進(jìn)行了從鑄造工程角度，對凝固過程的傳熱問題進(jìn)行了系統(tǒng)深入的

11、研究，為鑄造過程控制的科學(xué)化提供了理論依據(jù)。系統(tǒng)深入的研究，為鑄造過程控制的科學(xué)化提供了理論依據(jù)。 捷克籍俄裔鑄造工程師捷克籍俄裔鑄造工程師Chvorinov通過對大量鑄件凝固冷卻曲線的分通過對大量鑄件凝固冷卻曲線的分析，巧妙地引入了鑄件模數(shù)的概念，得出了著名的平方根定律，至今仍析，巧妙地引入了鑄件模數(shù)的概念，得出了著名的平方根定律，至今仍是鑄造工藝設(shè)計(jì)的理論依據(jù)之一。是鑄造工藝設(shè)計(jì)的理論依據(jù)之一。凝固過程理論的研究進(jìn)展凝固過程理論的研究進(jìn)展 60年代后，人們把研究重點(diǎn)放在經(jīng)典凝固理論的應(yīng)用上。年代后，人們把研究重點(diǎn)放在經(jīng)典凝固理論的應(yīng)用上。 以經(jīng)典凝固理論為指導(dǎo)，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了凝

12、以經(jīng)典凝固理論為指導(dǎo)，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了凝固組織和凝固過程的優(yōu)化和控制，使得大型鑄鋼錠及鑄件的固組織和凝固過程的優(yōu)化和控制，使得大型鑄鋼錠及鑄件的冶金質(zhì)量得到極大提高。冶金質(zhì)量得到極大提高。 鋼錠的質(zhì)量控制、連續(xù)鋼錠的電磁攪拌、以提高質(zhì)量、降鋼錠的質(zhì)量控制、連續(xù)鋼錠的電磁攪拌、以提高質(zhì)量、降低原材料和能源消耗為目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)鑄件理論與技術(shù)、快速凝低原材料和能源消耗為目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)鑄件理論與技術(shù)、快速凝固技術(shù)、定向凝固技術(shù)、半固態(tài)鑄造等先進(jìn)工藝技術(shù)均在這固技術(shù)、定向凝固技術(shù)、半固態(tài)鑄造等先進(jìn)工藝技術(shù)均在這一時(shí)期誕生。一時(shí)期誕生。 在發(fā)展各種技術(shù)的同時(shí)，人們積累了大量的凝固過程的數(shù)在發(fā)展各種技術(shù)的

13、同時(shí)，人們積累了大量的凝固過程的數(shù)據(jù)，又為凝固理論的深層次發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。據(jù)，又為凝固理論的深層次發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。凝固過程理論的研究進(jìn)展凝固過程理論的研究進(jìn)展最近的數(shù)十年間，凝固過程理論研究進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。由于積累了更最近的數(shù)十年間，凝固過程理論研究進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。由于積累了更加精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，人們逐漸發(fā)覺經(jīng)典理論與實(shí)際凝固過程間的差異，意加精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，人們逐漸發(fā)覺經(jīng)典理論與實(shí)際凝固過程間的差異，意識(shí)到經(jīng)典理論的局限性，從而試圖建立更加完善的理論體系。此外完善理識(shí)到經(jīng)典理論的局限性，從而試圖建立更加完善的理論體系。此外完善理論的動(dòng)力還來源于：在極端條件下的凝固如快速凝固和極低速凝固，及

14、特論的動(dòng)力還來源于：在極端條件下的凝固如快速凝固和極低速凝固，及特殊條件下的凝固如微重力凝固、超重力凝固和超高壓凝固等試驗(yàn)研究成為殊條件下的凝固如微重力凝固、超重力凝固和超高壓凝固等試驗(yàn)研究成為現(xiàn)實(shí)。原先在普通凝固過程中影響較小并在經(jīng)典凝固理論中被忽略的因素現(xiàn)實(shí)。原先在普通凝固過程中影響較小并在經(jīng)典凝固理論中被忽略的因素在上述凝固條件下卻變成主要影響因素。為了解釋這些新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需在上述凝固條件下卻變成主要影響因素。為了解釋這些新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要建立新的理論模型；二是計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得某些過去無法分析要建立新的理論模型；二是計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得某些過去無法分析和計(jì)算處理的問題的求解

15、成為可能。和計(jì)算處理的問題的求解成為可能。 在上述因素的推動(dòng)下，凝固理論研究方面又取得了新的發(fā)展。其中，具在上述因素的推動(dòng)下，凝固理論研究方面又取得了新的發(fā)展。其中，具代表性的有快速凝固理論、凝固過程組織形態(tài)選擇的時(shí)間相關(guān)性、歷史相代表性的有快速凝固理論、凝固過程組織形態(tài)選擇的時(shí)間相關(guān)性、歷史相關(guān)性理論以及枝晶間距選擇的容許范圍等。這些理論的表達(dá)形式也和經(jīng)典關(guān)性理論以及枝晶間距選擇的容許范圍等。這些理論的表達(dá)形式也和經(jīng)典理論有所不同。某些理論不再以簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系式的形式出現(xiàn)，而是建立理論有所不同。某些理論不再以簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系式的形式出現(xiàn)，而是建立在新的科學(xué)理論（如耗散結(jié)構(gòu)理論等）基礎(chǔ)上的新理論

16、模型，或者以計(jì)算在新的科學(xué)理論（如耗散結(jié)構(gòu)理論等）基礎(chǔ)上的新理論模型，或者以計(jì)算軟件的形式給出。軟件的形式給出。凝固過程理論的研究進(jìn)展凝固過程理論的研究進(jìn)展 凝固技術(shù)：以凝固理論為基礎(chǔ)進(jìn)行凝固過程控制的工程技凝固技術(shù)：以凝固理論為基礎(chǔ)進(jìn)行凝固過程控制的工程技術(shù)，是對各種凝固過程控制手段的綜合應(yīng)用。其目標(biāo)是以術(shù)，是對各種凝固過程控制手段的綜合應(yīng)用。其目標(biāo)是以盡可能簡單、節(jié)約、高效的方法獲得具有預(yù)期凝固組織的盡可能簡單、節(jié)約、高效的方法獲得具有預(yù)期凝固組織的優(yōu)質(zhì)制品。優(yōu)質(zhì)制品。 凝固過程的控制是通過各種傳輸過程的控制和物理場的控凝固過程的控制是通過各種傳輸過程的控制和物理場的控制實(shí)現(xiàn)的?？煽刂频闹?/p>

17、要傳輸過程包括傳熱、傳質(zhì)（溶質(zhì)制實(shí)現(xiàn)的?？煽刂频闹饕獋鬏斶^程包括傳熱、傳質(zhì)（溶質(zhì)擴(kuò)散）和動(dòng)量傳輸（對流）。此外，還可以通過采用變重?cái)U(kuò)散）和動(dòng)量傳輸（對流）。此外，還可以通過采用變重力場、電磁場等實(shí)現(xiàn)凝固過程的控制。這些過程和場量在力場、電磁場等實(shí)現(xiàn)凝固過程的控制。這些過程和場量在凝固過程中的演變規(guī)律及交互作用決定著凝固進(jìn)程、凝固凝固過程中的演變規(guī)律及交互作用決定著凝固進(jìn)程、凝固組織形態(tài)和成分分布。組織形態(tài)和成分分布。 下面逐一解釋：下面逐一解釋：凝固技術(shù)及其應(yīng)用凝固技術(shù)及其應(yīng)用凝固過程之所以能夠進(jìn)行，首先在于合金液內(nèi)所含有的熱量和凝固潛凝固過程之所以能夠進(jìn)行，首先在于合金液內(nèi)所含有的熱量和凝固

18、潛熱能夠及時(shí)導(dǎo)出，所以，傳熱過程控制是凝固過程控制的首要因素。熱能夠及時(shí)導(dǎo)出，所以，傳熱過程控制是凝固過程控制的首要因素。維持合金液的均勻冷卻，可得到等軸晶凝固組織。而采用強(qiáng)制一維散維持合金液的均勻冷卻，可得到等軸晶凝固組織。而采用強(qiáng)制一維散熱，則可使凝固過程沿溫度梯度方向定向進(jìn)行，從而獲得定向凝固組熱，則可使凝固過程沿溫度梯度方向定向進(jìn)行，從而獲得定向凝固組織。對于定向凝固組織，控制凝固的關(guān)鍵參數(shù)是溫度梯度和凝固速率織。對于定向凝固組織，控制凝固的關(guān)鍵參數(shù)是溫度梯度和凝固速率。而均勻冷卻的自由凝固過程的控制參數(shù)則是冷卻速率。而均勻冷卻的自由凝固過程的控制參數(shù)則是冷卻速率。凝固技術(shù)及其應(yīng)用凝固

19、技術(shù)及其應(yīng)用其次，在合金凝固過程中，由于合金元素在液相和固相中的化學(xué)位不同，其次，在合金凝固過程中，由于合金元素在液相和固相中的化學(xué)位不同，使得析出固相的成分不同于原始液相。合金元素在凝固界面發(fā)生再分配，使得析出固相的成分不同于原始液相。合金元素在凝固界面發(fā)生再分配，同時(shí)造成固相和液相內(nèi)成分的不均勻而發(fā)生擴(kuò)散。該再分配過程及擴(kuò)散過同時(shí)造成固相和液相內(nèi)成分的不均勻而發(fā)生擴(kuò)散。該再分配過程及擴(kuò)散過程不僅會(huì)引起溶質(zhì)元素在宏觀或者微觀尺度內(nèi)的偏析，而且對凝固組織有程不僅會(huì)引起溶質(zhì)元素在宏觀或者微觀尺度內(nèi)的偏析，而且對凝固組織有決定性的影響。溶質(zhì)的傳輸過程是和凝固方式密切相關(guān)的。決定性的影響。溶質(zhì)的傳輸

20、過程是和凝固方式密切相關(guān)的。第三，在凝固過程中，由于液相成分和溫度的不均勻會(huì)造成合金液密度在第三，在凝固過程中，由于液相成分和溫度的不均勻會(huì)造成合金液密度在空間分布的不均勻，從而引起合金液的自然對流。而該對流又反過來對溫空間分布的不均勻，從而引起合金液的自然對流。而該對流又反過來對溫度分布、溶質(zhì)分布及凝固組織產(chǎn)生影響。例如，恒定的電磁場可以抑制自度分布、溶質(zhì)分布及凝固組織產(chǎn)生影響。例如，恒定的電磁場可以抑制自然對流，而交變磁場可以施加強(qiáng)制對流。對這兩種電磁場的合理運(yùn)用，就然對流，而交變磁場可以施加強(qiáng)制對流。對這兩種電磁場的合理運(yùn)用，就可以用于進(jìn)行凝固過程控制、凝固組織控制以及成分偏析的控制?？?/p>

21、以用于進(jìn)行凝固過程控制、凝固組織控制以及成分偏析的控制。第四，通過自由落體、快速加速和減速運(yùn)動(dòng)（如飛行過程）、離心運(yùn)動(dòng)、第四，通過自由落體、快速加速和減速運(yùn)動(dòng)（如飛行過程）、離心運(yùn)動(dòng)、太空條件的利用，來改變重力加速度的數(shù)值，最終達(dá)到控制凝固過程的目太空條件的利用，來改變重力加速度的數(shù)值，最終達(dá)到控制凝固過程的目的。例如，微重力凝固就是凝固過程控制的前沿課題。的。例如，微重力凝固就是凝固過程控制的前沿課題。凝固技術(shù)及其應(yīng)用凝固技術(shù)及其應(yīng)用凝固技術(shù)的發(fā)展，除了前述的對傳統(tǒng)鑄錠和鑄件的凝固過程進(jìn)行優(yōu)化控凝固技術(shù)的發(fā)展，除了前述的對傳統(tǒng)鑄錠和鑄件的凝固過程進(jìn)行優(yōu)化控制來提高產(chǎn)品質(zhì)量以外，其另一重要方面

22、就是研制和開發(fā)出各種全新的凝制來提高產(chǎn)品質(zhì)量以外，其另一重要方面就是研制和開發(fā)出各種全新的凝固技術(shù)，如定向凝固技術(shù)、快速凝固技術(shù)、連鑄技術(shù)、半固態(tài)鑄造技術(shù)、固技術(shù)，如定向凝固技術(shù)、快速凝固技術(shù)、連鑄技術(shù)、半固態(tài)鑄造技術(shù)、鑄造法復(fù)合材料制備技術(shù)、電磁鑄造、微重力鑄造等。目前正在取得較大鑄造法復(fù)合材料制備技術(shù)、電磁鑄造、微重力鑄造等。目前正在取得較大進(jìn)展并獲得工程應(yīng)用的凝固技術(shù)有：進(jìn)展并獲得工程應(yīng)用的凝固技術(shù)有： （1）近、凈形產(chǎn)品（鑄件、型材等）凝固技術(shù)，目前該方面的研究進(jìn)展）近、凈形產(chǎn)品（鑄件、型材等）凝固技術(shù)，目前該方面的研究進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程非?？?，發(fā)展后勁很足。和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程非?？欤l(fā)展后勁

23、很足。 （2）具有復(fù)雜組織和相變過程的新型材料凝固制備技術(shù)如金屬基顆粒增）具有復(fù)雜組織和相變過程的新型材料凝固制備技術(shù)如金屬基顆粒增強(qiáng)材料制備等，已經(jīng)將凝固技術(shù)直接作為實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)和組織設(shè)計(jì)新思路強(qiáng)材料制備等，已經(jīng)將凝固技術(shù)直接作為實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)和組織設(shè)計(jì)新思路的重要實(shí)現(xiàn)手段。的重要實(shí)現(xiàn)手段。 （3）利用液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)研究成果，采用新的物理和化學(xué)方法對合金液進(jìn)）利用液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)研究成果，采用新的物理和化學(xué)方法對合金液進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)凝固組織的預(yù)期控制。如變質(zhì)、精煉等工藝。行預(yù)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)凝固組織的預(yù)期控制。如變質(zhì)、精煉等工藝。 （4）采用新的加熱和制冷技術(shù)對凝固過程熱平衡條件進(jìn)行有效控制，進(jìn)

24、）采用新的加熱和制冷技術(shù)對凝固過程熱平衡條件進(jìn)行有效控制，進(jìn)而控制合金凝固組織，如定向凝固技術(shù)、液體霧化法技術(shù)等。而控制合金凝固組織，如定向凝固技術(shù)、液體霧化法技術(shù)等。凝固技術(shù)及其應(yīng)用凝固技術(shù)及其應(yīng)用 圖圖9-15歸納了數(shù)歸納了數(shù)十種鑄造技術(shù)中的十種鑄造技術(shù)中的四種鑄造工藝過程四種鑄造工藝過程簡圖。簡圖。凝固技術(shù)應(yīng)用實(shí)例（凝固技術(shù)應(yīng)用實(shí)例（1）- 傳統(tǒng)鑄造技術(shù)傳統(tǒng)鑄造技術(shù)凝固技術(shù)應(yīng)用實(shí)例（凝固技術(shù)應(yīng)用實(shí)例（2）- 連續(xù)鑄造、坯錠鑄造連續(xù)鑄造、坯錠鑄造凝固技術(shù)應(yīng)用實(shí)例（凝固技術(shù)應(yīng)用實(shí)例（3）- 單晶生長單晶生長1. 形核形核從凝固角度看，從凝固角度看，術(shù)語形核是指術(shù)語形核是指從熔融材料中形成的首

25、批納米尺度的晶從熔融材料中形成的首批納米尺度的晶體體。例如，當(dāng)水開始結(jié)冰時(shí)，首先會(huì)形成稱之為晶核的納米尺度的晶。例如，當(dāng)水開始結(jié)冰時(shí)，首先會(huì)形成稱之為晶核的納米尺度的晶體。體。從寬泛的角度看，術(shù)語形核指的是一種相在另一種相中形成的起初從寬泛的角度看，術(shù)語形核指的是一種相在另一種相中形成的起初階段階段。當(dāng)蒸汽冷凝成液相，冷凝開始時(shí)出現(xiàn)的納米尺度的液滴就是晶。當(dāng)蒸汽冷凝成液相，冷凝開始時(shí)出現(xiàn)的納米尺度的液滴就是晶核。此外，在許多體系中，一種固相晶核如核。此外，在許多體系中，一種固相晶核如 會(huì)在另一種固體材料如會(huì)在另一種固體材料如 中中形成晶核，即固相轉(zhuǎn)變。而這種現(xiàn)象在大多數(shù)工程材料中會(huì)常常發(fā)生。形

26、成晶核，即固相轉(zhuǎn)變。而這種現(xiàn)象在大多數(shù)工程材料中會(huì)常常發(fā)生。此時(shí)，材料沒有熔化。因此此時(shí)，材料沒有熔化。因此，盡管我們從凝固角度討論形核，但也必須，盡管我們從凝固角度討論形核，但也必須認(rèn)識(shí)到形核現(xiàn)象是普遍存在的，而且與相轉(zhuǎn)變直接相關(guān)認(rèn)識(shí)到形核現(xiàn)象是普遍存在的，而且與相轉(zhuǎn)變直接相關(guān)。當(dāng)材料從液態(tài)剛好冷卻到凝固溫度以下時(shí)，材料會(huì)凝固。這是由于當(dāng)材料從液態(tài)剛好冷卻到凝固溫度以下時(shí)，材料會(huì)凝固。這是由于此此時(shí)固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的能量要低于液相時(shí)固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的能量要低于液相。液、固相間的能量差（即單位體積液、固相間的能量差（即單位體積的自由能差的自由能差 ）就是凝固的驅(qū)動(dòng)力）就是凝固的驅(qū)動(dòng)力。vG金屬的一般凝

27、固過程金屬的一般凝固過程 固相形成的同時(shí)會(huì)形成固固相形成的同時(shí)會(huì)形成固-液界面液界面，如圖，如圖9-2。與界面相關(guān)的是表面自由能。與界面相關(guān)的是表面自由能 SL。形成固相越大，表面能就越大。因此，體系總的自由能變化（見圖。形成固相越大，表面能就越大。因此，體系總的自由能變化（見圖9-3）可）可以表達(dá)為，以表達(dá)為， （9-1）式中，式中， 是半徑為是半徑為r的球狀固相體積；的球狀固相體積； 是球狀固相的表面積；是球狀固相的表面積； SL是液是液-固界面的表面自由能；固界面的表面自由能； 是單位體積的自由能變化，是負(fù)值，因?yàn)榇藭r(shí)假定是單位體積的自由能變化，是負(fù)值，因?yàn)榇藭r(shí)假定相轉(zhuǎn)變在熱力學(xué)上是可行

28、的。相轉(zhuǎn)變在熱力學(xué)上是可行的。注意，注意， SL與與r弱相關(guān)，所以假弱相關(guān)，所以假定是常數(shù)；而定是常數(shù)；而 也和也和r無關(guān)。無關(guān)。 一個(gè)晶胚就是由液相中原一個(gè)晶胚就是由液相中原子團(tuán)簇聚形成的固相小顆粒。子團(tuán)簇聚形成的固相小顆粒。晶胚是不穩(wěn)定的，它或者成晶胚是不穩(wěn)定的，它或者成長為晶核，或者重新溶解長為晶核，或者重新溶解。 334r24 rvGvGSLvrGrG23434金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程 在圖在圖9-3中，中，上面曲線上面曲線是總的表面自由能（是總的表面自由能（ ）的拋物線形變化，）的拋物線形變化，下面下面曲線則曲線則是總的體積自由能（是總的體積自由能（ ）變化曲線，）變化曲

29、線，中間曲線中間曲線則表明了體系總的自則表明了體系總的自由能變化情況。由能變化情況。在液相和固相處于平衡的溫度（即凝固溫度）時(shí)，固相自由能在液相和固相處于平衡的溫度（即凝固溫度）時(shí)，固相自由能和液相自由能相等，此時(shí)，總的體系自由能會(huì)是正的和液相自由能相等，此時(shí)，總的體系自由能會(huì)是正的。而當(dāng)固相非常小，如當(dāng)。而當(dāng)固相非常小，如當(dāng)其半徑小于臨界晶核半徑時(shí)，如圖其半徑小于臨界晶核半徑時(shí)，如圖9-3，進(jìn)一步生長會(huì)使體系總的自由能增加。，進(jìn)一步生長會(huì)使體系總的自由能增加。 臨界晶核半徑臨界晶核半徑就是在就是在固相顆粒穩(wěn)定并開始長大固相顆粒穩(wěn)定并開始長大前，通過液相中的原子團(tuán)前，通過液相中的原子團(tuán)簇聚集而

30、必須形成的最小簇聚集而必須形成的最小固相晶體尺寸固相晶體尺寸。但此時(shí)，但此時(shí)，晶胚不會(huì)長大，晶胚不會(huì)長大，它傾向于它傾向于重溶，以降低體系自由能重溶，以降低體系自由能。因此，這時(shí)大部分材料處于液態(tài)，只有一小部分處于晶相因此，這時(shí)大部分材料處于液態(tài)，只有一小部分處于晶相。 SLr24vGr334金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程在凝固溫度下，晶胚在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。那么，晶胚如何長大呢？在凝固溫度下，晶胚在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。那么，晶胚如何長大呢？ 晶胚的形成是一個(gè)隨機(jī)過程，許多晶胚形成，然后重溶。晶胚的形成是一個(gè)隨機(jī)過程，許多晶胚形成，然后重溶。如果偶爾一個(gè)形成如果偶爾一個(gè)形成晶胚的半徑大

31、于晶胚的半徑大于 ，則進(jìn)一步的生長會(huì)使體系自由能降低。此時(shí)，晶胚變得穩(wěn)，則進(jìn)一步的生長會(huì)使體系自由能降低。此時(shí)，晶胚變得穩(wěn)定并且能夠維持，這時(shí)形核過程便開始，固相顆粒開始長大，此時(shí)的晶胚就叫定并且能夠維持，這時(shí)形核過程便開始，固相顆粒開始長大，此時(shí)的晶胚就叫做做晶核晶核。在熱力學(xué)熔化溫度或者凝固溫度時(shí)，形成穩(wěn)定可維持晶核的可能性微在熱力學(xué)熔化溫度或者凝固溫度時(shí)，形成穩(wěn)定可維持晶核的可能性微乎其微乎其微。因此，凝固并沒有從凝固溫度時(shí)開始因此，凝固并沒有從凝固溫度時(shí)開始。如果體系溫度繼續(xù)降低到平衡。如果體系溫度繼續(xù)降低到平衡凝固溫度以下，則液相的熱力學(xué)不穩(wěn)定性會(huì)持續(xù)增加，此時(shí)液相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣棠虦囟?/p>

32、以下，則液相的熱力學(xué)不穩(wěn)定性會(huì)持續(xù)增加，此時(shí)液相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?。由于液體溫度低于凝固溫度，此時(shí)認(rèn)為相。由于液體溫度低于凝固溫度，此時(shí)認(rèn)為液體處于過冷狀態(tài)液體處于過冷狀態(tài)。而。而過冷度就過冷度就是平衡凝固溫度減去液體的實(shí)際溫度是平衡凝固溫度減去液體的實(shí)際溫度。當(dāng)過冷度增加，液相中固相生成的熱力當(dāng)過冷度增加，液相中固相生成的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力就能夠克服生成液學(xué)驅(qū)動(dòng)力就能夠克服生成液-固界面的阻力固界面的阻力。 這種現(xiàn)象在許多其它的相轉(zhuǎn)變過程中也能夠觀察到這種現(xiàn)象在許多其它的相轉(zhuǎn)變過程中也能夠觀察到。當(dāng)。當(dāng) 相轉(zhuǎn)變?yōu)橄噢D(zhuǎn)變?yōu)?相時(shí)，體相時(shí)，體系必須冷卻到低于熱力學(xué)相轉(zhuǎn)變溫度（此時(shí)，系必須冷卻到低于熱力學(xué)相轉(zhuǎn)

33、變溫度（此時(shí)， 相和相和 相的自由能相等）以下。相的自由能相等）以下。當(dāng)液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝捶兴瑒t會(huì)在水中形成氣泡。但是為了完成這個(gè)相當(dāng)液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝捶兴瑒t會(huì)在水中形成氣泡。但是為了完成這個(gè)相轉(zhuǎn)變，我們必須把液相水過熱到沸點(diǎn)溫度以上。因此，轉(zhuǎn)變，我們必須把液相水過熱到沸點(diǎn)溫度以上。因此，凝固需要過冷液相，而凝固需要過冷液相，而沸騰需要過熱液體沸騰需要過熱液體。r金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程均質(zhì)形核均質(zhì)形核 當(dāng)液相冷卻到平衡凝固溫度以下時(shí)，有兩種因素都利于形核當(dāng)液相冷卻到平衡凝固溫度以下時(shí)，有兩種因素都利于形核：首首先先，由于原子會(huì)逐步失去其熱能，已形成原子團(tuán)簇增大的可能性

34、加大。，由于原子會(huì)逐步失去其熱能，已形成原子團(tuán)簇增大的可能性加大。其次其次，液、固相間更大的體積自由能差使臨界晶核半徑，液、固相間更大的體積自由能差使臨界晶核半徑 減小。減小。當(dāng)過當(dāng)過冷大到足夠形成穩(wěn)定晶核的時(shí)候，冷大到足夠形成穩(wěn)定晶核的時(shí)候，均質(zhì)形核均質(zhì)形核就會(huì)發(fā)生就會(huì)發(fā)生。 臨界晶核半徑可表示為，臨界晶核半徑可表示為， （9-2）式中，式中， 是結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱，表示液固轉(zhuǎn)變時(shí)釋放的熱；是結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱，表示液固轉(zhuǎn)變時(shí)釋放的熱；Tm為為平衡凝固溫度（單位平衡凝固溫度（單位K）；）； ，T是液相溫度。當(dāng)過冷增加，是液相溫度。當(dāng)過冷增加，臨界晶核半徑會(huì)減小。臨界晶核半徑會(huì)減小。 表表9-1給

35、出了一些材料的給出了一些材料的 SL、 值以及實(shí)驗(yàn)方法測定的均質(zhì)形值以及實(shí)驗(yàn)方法測定的均質(zhì)形核的典型過冷度。核的典型過冷度。rTHTrfmSL2fHTTTmfH金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程異質(zhì)形核異質(zhì)形核 從表從表9-1可以看到，可以看到，水如果通水如果通過均質(zhì)形核結(jié)成冰，則必須將水過均質(zhì)形核結(jié)成冰，則必須將水溫降至凝固點(diǎn)溫降至凝固點(diǎn)0以下，至以下，至-40（過冷度（過冷度40），才會(huì)發(fā)生凝固），才會(huì)發(fā)生凝固。除了試驗(yàn)條件下的受控試驗(yàn)外，除了試驗(yàn)條件下的受控試驗(yàn)外，液相中均質(zhì)形核從來都不會(huì)發(fā)生液相中均質(zhì)形核從來都不會(huì)發(fā)生。 相反，相反，與液相接觸的雜

36、質(zhì)與液相接觸的雜質(zhì)，不管是懸浮在液體中的，還是附在容器壁上的，不管是懸浮在液體中的，還是附在容器壁上的，都會(huì)提供固相形核的表面都會(huì)提供固相形核的表面，如圖，如圖9-4。此時(shí)，形成固相的曲率半徑要大于通過液此時(shí)，形成固相的曲率半徑要大于通過液固相間很小的總表面而形成的固相的臨界半徑固相間很小的總表面而形成的固相的臨界半徑，此時(shí)只需要少量的原子聚集就此時(shí)只需要少量的原子聚集就可以形成需要曲率半徑的固相顆粒，而達(dá)到臨界尺寸所需的過冷度要小得多可以形成需要曲率半徑的固相顆粒，而達(dá)到臨界尺寸所需的過冷度要小得多。因此，形核就會(huì)更加容易發(fā)生。因此，形核就會(huì)更加容易發(fā)生。在預(yù)先存在的表面上進(jìn)行的形核就叫做在

37、預(yù)先存在的表面上進(jìn)行的形核就叫做異質(zhì)形異質(zhì)形核。異質(zhì)形核過程取決于形核相和形核表面間的接觸角核。異質(zhì)形核過程取決于形核相和形核表面間的接觸角 。在固相轉(zhuǎn)變中也存在在固相轉(zhuǎn)變中也存在同樣的情況同樣的情況。金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程形核速率形核速率 形核速率就是形核速率就是單位時(shí)間形成的晶核數(shù)量，它是溫度的函數(shù)單位時(shí)間形成的晶核數(shù)量，它是溫度的函數(shù)。在凝固。在凝固發(fā)生前，即凝固溫度以上時(shí)，形核肯定不會(huì)發(fā)生，此時(shí)形核率是發(fā)生前，即凝固溫度以上時(shí)，形核肯定不會(huì)發(fā)生，此時(shí)形核率是0。當(dāng)。當(dāng)溫度下降，形核驅(qū)動(dòng)力增加。溫度下降，形核驅(qū)動(dòng)力增加。隨著溫度的進(jìn)一步下降，原子擴(kuò)散會(huì)變隨著溫度的進(jìn)一步下降

38、，原子擴(kuò)散會(huì)變慢，從而使形核過程變慢慢，從而使形核過程變慢。因此，形核速率（。因此，形核速率（I）會(huì)在低于凝固溫度以下）會(huì)在低于凝固溫度以下的某一溫度達(dá)到最大值的某一溫度達(dá)到最大值，如圖，如圖9-5。在異質(zhì)形核時(shí)，形核速率由形核劑的。在異質(zhì)形核時(shí)，形核速率由形核劑的加入量決定。加入量決定。通過預(yù)計(jì)形核速率和生長速度，我們就能夠預(yù)測整個(gè)相轉(zhuǎn)通過預(yù)計(jì)形核速率和生長速度，我們就能夠預(yù)測整個(gè)相轉(zhuǎn)變的速度變的速度。 形核控制在金形核控制在金屬、合金、有機(jī)玻屬、合金、有機(jī)玻璃，以及其它工程璃，以及其它工程材料的成型過程中非常重要。材料的成型過程中非常重要。金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程晶粒細(xì)化晶粒細(xì)

39、化 當(dāng)一種金屬鑄件凝固時(shí)，當(dāng)一種金屬鑄件凝固時(shí)，熔體中和型壁上的雜質(zhì)熔體中和型壁上的雜質(zhì)在其凝固過程中會(huì)在其凝固過程中會(huì)作為作為異質(zhì)形核的基底異質(zhì)形核的基底。有時(shí)，我們。有時(shí)，我們有意識(shí)地引入形核顆粒到液相中，這有意識(shí)地引入形核顆粒到液相中，這樣的做法就叫做樣的做法就叫做晶粒細(xì)化或者孕育處理晶粒細(xì)化或者孕育處理。把引入到熔體中的能夠促進(jìn)形把引入到熔體中的能夠促進(jìn)形核和細(xì)化晶粒的化學(xué)物質(zhì)就叫做核和細(xì)化晶粒的化學(xué)物質(zhì)就叫做晶粒細(xì)化劑或者變質(zhì)劑（孕育劑）晶粒細(xì)化劑或者變質(zhì)劑（孕育劑）。例。例如，在許多鋁合金熔體中，聯(lián)合加入如，在許多鋁合金熔體中，聯(lián)合加入0.03%Ti和和0.01%B，就會(huì)形成，就會(huì)

40、形成Al3Ti顆?；蛘哳w粒或者TiB2化合物，它們會(huì)作為異質(zhì)形核的基底。晶粒細(xì)化或化合物，它們會(huì)作為異質(zhì)形核的基底。晶粒細(xì)化或孕育處理會(huì)產(chǎn)生大量的晶粒，而每個(gè)晶粒則是由晶核開始長大的，由此孕育處理會(huì)產(chǎn)生大量的晶粒，而每個(gè)晶粒則是由晶核開始長大的，由此而增加的晶界為金屬材料的細(xì)晶強(qiáng)化提供了直接支持。而增加的晶界為金屬材料的細(xì)晶強(qiáng)化提供了直接支持。金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程2. 生長機(jī)制生長機(jī)制 一旦一種相的固態(tài)晶核在液相或者另一種固相中形成后，生長就會(huì)一旦一種相的固態(tài)晶核在液相或者另一種固相中形成后，生長就會(huì)開始。開始。固相晶核生長的核心問題是熔化金屬中的熱排放問題固相晶核生長的核心問

41、題是熔化金屬中的熱排放問題。以熔化金屬以熔化金屬的鑄造成型為例的鑄造成型為例：選定一種近乎純的金屬而不是合金（合金凝固是在一個(gè)選定一種近乎純的金屬而不是合金（合金凝固是在一個(gè)溫度區(qū)間）溫度區(qū)間）。在金屬的凝固過程中，必須排放兩種類型的熱：在金屬的凝固過程中，必須排放兩種類型的熱：液相的比熱液相的比熱和結(jié)晶潛熱和結(jié)晶潛熱。比熱是單位質(zhì)量的材料在溫度變化。比熱是單位質(zhì)量的材料在溫度變化1時(shí)所需要的熱量。凝時(shí)所需要的熱量。凝固時(shí)，首先必須排出比熱，可以通過熱輻射進(jìn)入周圍環(huán)境，或者通過熱傳固時(shí)，首先必須排出比熱，可以通過熱輻射進(jìn)入周圍環(huán)境，或者通過熱傳導(dǎo)進(jìn)入型腔，直至液相降至凝固溫度。這只是液相金屬從

42、澆注溫度冷卻至導(dǎo)進(jìn)入型腔，直至液相降至凝固溫度。這只是液相金屬從澆注溫度冷卻至形核開始溫度的過程。形核開始溫度的過程。 大家知道，熔化金屬需要加熱。相反，液相中生成固相，就會(huì)放熱，大家知道，熔化金屬需要加熱。相反，液相中生成固相，就會(huì)放熱，這種熱就叫做這種熱就叫做結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱（ ）。）。在凝固完成前，結(jié)晶潛熱必須從液在凝固完成前，結(jié)晶潛熱必須從液-固固界面排放出去界面排放出去。結(jié)晶潛熱的排放方式?jīng)Q定了金屬的生長機(jī)制和最終鑄件的結(jié)晶潛熱的排放方式?jīng)Q定了金屬的生長機(jī)制和最終鑄件的組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)。fH金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程平面生長平面生長 當(dāng)一種當(dāng)一種孕育良好的孕育良好的液相液相

43、（即加入孕育劑（即加入孕育劑的液相）冷卻到平衡凝的液相）冷卻到平衡凝固溫度以下時(shí)，此時(shí)不固溫度以下時(shí)，此時(shí)不需要過冷，這是由于需要過冷，這是由于液液相能夠發(fā)生異質(zhì)形核相能夠發(fā)生異質(zhì)形核。此時(shí)此時(shí)凝固界面（即凝固界面（即固固-液界面）前沿的液相溫度高于凝固溫度液界面）前沿的液相溫度高于凝固溫度。而固相溫度則等于或者低于。而固相溫度則等于或者低于凝固溫度。在凝固過程中，結(jié)晶潛熱通過傳導(dǎo)從液凝固溫度。在凝固過程中，結(jié)晶潛熱通過傳導(dǎo)從液-固界面排出。固界面排出。生長界生長界面上的任何小的生長凸出都會(huì)被周圍高于凝固溫度的液相包圍，如圖面上的任何小的生長凸出都會(huì)被周圍高于凝固溫度的液相包圍，如圖9-6。生

44、長凸出會(huì)因此停止，直到其余的界面同步趕上生長凸出會(huì)因此停止，直到其余的界面同步趕上。這種生長機(jī)制，就是。這種生長機(jī)制，就是平面生長。平面生長。它是依靠一條平滑的液它是依靠一條平滑的液-固界面推進(jìn)完成凝固固界面推進(jìn)完成凝固。金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程枝晶生長枝晶生長 當(dāng)當(dāng)液相沒有孕育，形核能力液相沒有孕育，形核能力不足不足，就必須通過過冷來促使，就必須通過過冷來促使固相形核，如圖固相形核，如圖9-7。在此條件。在此條件下，任何一個(gè)小的固相凸出，下，任何一個(gè)小的固相凸出，稱之為稱之為枝晶枝晶，就會(huì)在凝固界面，就會(huì)在凝固界面形成。形成。該枝晶會(huì)由于凝固前沿該枝晶會(huì)由于凝固前沿的液相處于過冷

45、而被激勵(lì)生長的液相處于過冷而被激勵(lì)生長。隨著固相枝晶的生長，隨著固相枝晶的生長，結(jié)晶潛結(jié)晶潛熱會(huì)被排放到周圍的過冷液相熱會(huì)被排放到周圍的過冷液相中，使液相溫度向凝固溫度回中，使液相溫度向凝固溫度回升升。而在主枝晶臂（一次枝晶臂）上還會(huì)生長出。而在主枝晶臂（一次枝晶臂）上還會(huì)生長出二次、三次枝晶臂二次、三次枝晶臂來適應(yīng)調(diào)整來適應(yīng)調(diào)整潛熱的釋放速率。潛熱的釋放速率。枝晶生長一直繼續(xù)到過冷液體溫度回升到凝固溫度才停止。枝晶生長一直繼續(xù)到過冷液體溫度回升到凝固溫度才停止。剩余液相則以平面狀方式凝固剩余液相則以平面狀方式凝固。平面生長和枝晶生長的出現(xiàn)是由于結(jié)晶潛熱的。平面生長和枝晶生長的出現(xiàn)是由于結(jié)晶潛

46、熱的不同排放方式造成的。不同排放方式造成的。在平面生長中，型壁必須吸收潛熱；而在枝晶生長時(shí)，在平面生長中，型壁必須吸收潛熱；而在枝晶生長時(shí)，則依靠過冷液體吸收潛熱則依靠過冷液體吸收潛熱。金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程對于組織和性能的影響對于組織和性能的影響 凝固時(shí)間影響枝晶的尺寸凝固時(shí)間影響枝晶的尺寸。通常，。通常，枝晶尺寸通過測量二次枝晶臂間距來標(biāo)枝晶尺寸通過測量二次枝晶臂間距來標(biāo)定定，如圖，如圖9-8。 二次枝晶間距二次枝晶間距（SDAS）隨著鑄隨著鑄件冷卻速度加快而件冷卻速度加快而減小。作為潛熱傳減小。作為潛熱傳導(dǎo)的導(dǎo)體，網(wǎng)狀枝導(dǎo)的導(dǎo)體，網(wǎng)狀枝晶組織越細(xì)，越發(fā)晶組織越細(xì)，越發(fā)達(dá)，熱

47、傳導(dǎo)效率就達(dá)，熱傳導(dǎo)效率就越高。越高。 二次枝晶間距（二次枝晶間距（SDAS）與凝固時(shí)間相關(guān)，）與凝固時(shí)間相關(guān)， （9-6）式中，式中，m和和k是由成分決定的常數(shù)。是由成分決定的常數(shù)。msktSDAS 金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程在純金屬中，枝晶生長只是整個(gè)生長過程的小部分在純金屬中，枝晶生長只是整個(gè)生長過程的小部分，其比例可由下式計(jì)算，其比例可由下式計(jì)算， （9-3）式中，式中，c是液相的比熱。是液相的比熱。分子項(xiàng)代表了過冷液體能夠吸收的熱量，而分母項(xiàng)中的分子項(xiàng)代表了過冷液體能夠吸收的熱量，而分母項(xiàng)中的潛熱則代表了凝固過程必須排放的熱量潛熱則代表了凝固過程必須排放的熱量。隨著。隨著

48、的增加，枝晶生長加劇。如果的增加，枝晶生長加劇。如果液相被良好孕育，過冷度幾乎為零，則生長主要按平面生長進(jìn)行。液相被良好孕育，過冷度幾乎為零，則生長主要按平面生長進(jìn)行。固相生長的速率取決于冷卻速度，或者熱排放的速率固相生長的速率取決于冷卻速度，或者熱排放的速率。冷卻速率越高，凝固。冷卻速率越高，凝固時(shí)間越短。對于簡單鑄件，完全凝固時(shí)間時(shí)間越短。對于簡單鑄件，完全凝固時(shí)間ts可以通過可以通過Chvorinov公式計(jì)算，公式計(jì)算， （9-4）式中，式中，V是鑄件體積，代表凝固開始前必須排放的總熱量；是鑄件體積，代表凝固開始前必須排放的總熱量；A是與鑄型接觸的鑄是與鑄型接觸的鑄件表面積，它代表可以通

49、過鑄件進(jìn)行熱轉(zhuǎn)移的表面件表面積，它代表可以通過鑄件進(jìn)行熱轉(zhuǎn)移的表面；n通常為通常為2；B是鑄型常數(shù)，是鑄型常數(shù)，取決于金屬和鑄型的特性和初始溫度。取決于金屬和鑄型的特性和初始溫度。 凝固開始于表面，此時(shí)，熱量被排放到周圍的模型材料中。一個(gè)鑄件的凝固凝固開始于表面，此時(shí)，熱量被排放到周圍的模型材料中。一個(gè)鑄件的凝固速率可以用凝固表層厚度速率可以用凝固表層厚度d的增長來表示，的增長來表示， （9-5）式中，式中，t是澆注后的時(shí)間，是澆注后的時(shí)間，ksolidification對于給定材料和模型是常數(shù)，對于給定材料和模型是常數(shù)，c1是常數(shù)。是常數(shù)。fHTcf枝晶比例nsAVBt)(1ctkdtion

50、solidificaT金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程 幾種金屬的二次枝晶間距和凝固時(shí)間的關(guān)系見圖幾種金屬的二次枝晶間距和凝固時(shí)間的關(guān)系見圖9-9。二次枝晶間距二次枝晶間距越小，強(qiáng)度越高越小，強(qiáng)度越高，并且還對塑性有并且還對塑性有利，見圖利，見圖9-10。3. 快速凝固過程快速凝固過程 快速凝固可以得到具有特別細(xì)的二次枝晶間距的組織快速凝固可以得到具有特別細(xì)的二次枝晶間距的組織.常用方法就是使特別細(xì)小的液滴凝固成固態(tài)顆粒，該過程就常用方法就是使特別細(xì)小的液滴凝固成固態(tài)顆粒，該過程就叫做叫做氣體霧化法氣體霧化法。凝固速率大約達(dá)。凝固速率大約達(dá)10E4/s的細(xì)小液滴，生的細(xì)小液滴，生產(chǎn)的粉狀顆

51、粒的尺度范圍約為產(chǎn)的粉狀顆粒的尺度范圍約為5-100 m，這種冷卻速度尚不這種冷卻速度尚不足以形成金屬玻璃，但的確能夠產(chǎn)生具有超細(xì)枝晶結(jié)構(gòu)的組足以形成金屬玻璃，但的確能夠產(chǎn)生具有超細(xì)枝晶結(jié)構(gòu)的組織織。如果把這些粉體材料通過粉末冶金方法使其致密，則會(huì)。如果把這些粉體材料通過粉末冶金方法使其致密，則會(huì)使材料的性能得到改善。由于這些顆粒自液相生成，許多復(fù)使材料的性能得到改善。由于這些顆粒自液相生成，許多復(fù)雜成分的合金就可以通過該工藝得到化學(xué)成分均勻的顆粒。雜成分的合金就可以通過該工藝得到化學(xué)成分均勻的顆粒。金屬的一般凝固過程金屬的一般凝固過程4. 冷卻曲線冷卻曲線 也可以通過研究冷卻曲線來總結(jié)也可以

52、通過研究冷卻曲線來總結(jié)之前的討論之前的討論。冷卻曲線表示材料冷卻曲線表示材料(指指純金屬）的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系純金屬）的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖如圖9-11a、b。液相在澆注溫度時(shí)被。液相在澆注溫度時(shí)被澆入鑄型澆入鑄型(A點(diǎn)點(diǎn))。澆注溫度和凝固溫度。澆注溫度和凝固溫度間的差距就是液相的間的差距就是液相的過熱度過熱度。液相排。液相排出比熱，至溫度降至凝固溫度出比熱，至溫度降至凝固溫度(B點(diǎn)點(diǎn))。如液相沒有被良好孕育，則必須過冷如液相沒有被良好孕育，則必須過冷(B點(diǎn)至點(diǎn)至C點(diǎn)點(diǎn))。在凝固開始前，冷卻曲。在凝固開始前，冷卻曲線的斜率就是冷卻速度，線的斜率就是冷卻速度， 。當(dāng)形核。當(dāng)形核開始開始(

53、C點(diǎn)點(diǎn))，就會(huì)釋放結(jié)晶潛熱，液相，就會(huì)釋放結(jié)晶潛熱，液相溫度回升。過冷液相由于金屬形核溫度回升。過冷液相由于金屬形核產(chǎn)生的溫度增加，就叫做產(chǎn)生的溫度增加，就叫做再輝再輝(再熾再熾)現(xiàn)象現(xiàn)象(C點(diǎn)至點(diǎn)至D點(diǎn)點(diǎn))。凝固在金屬凝固溫度下凝固在金屬凝固溫度下(D點(diǎn)至點(diǎn)至E點(diǎn)點(diǎn))等溫進(jìn)行，此時(shí)連續(xù)凝固相中等溫進(jìn)行，此時(shí)連續(xù)凝固相中釋放的潛熱與冷卻排出的熱量相平衡釋放的潛熱與冷卻排出的熱量相平衡。在。在D點(diǎn)和點(diǎn)和E點(diǎn)間的區(qū)域，溫度是常數(shù)，該平臺(tái)點(diǎn)間的區(qū)域，溫度是常數(shù)，該平臺(tái)叫叫熱駐點(diǎn)熱駐點(diǎn)(熱平臺(tái)熱平臺(tái))，熱駐點(diǎn)的出現(xiàn)是由于結(jié)晶潛熱的釋放和冷卻釋放的熱達(dá)到了平衡，熱駐點(diǎn)的出現(xiàn)是由于結(jié)晶潛熱的釋放和冷卻釋放

54、的熱達(dá)到了平衡造成的。到造成的。到E點(diǎn)，凝固結(jié)束，之后鑄件從點(diǎn)，凝固結(jié)束，之后鑄件從E點(diǎn)冷卻到室溫。點(diǎn)冷卻到室溫。tT 如果液相被良好孕育，則凝固所需如果液相被良好孕育，則凝固所需過冷一般非常小過冷一般非常小。只有非常精細(xì)地測量，。只有非常精細(xì)地測量，才能在冷卻曲線中觀察到非常小的過冷才能在冷卻曲線中觀察到非常小的過冷和再輝現(xiàn)象。如果在液相中存在有效的和再輝現(xiàn)象。如果在液相中存在有效的形核質(zhì)點(diǎn)，凝固就會(huì)從凝固溫度開始，形核質(zhì)點(diǎn)，凝固就會(huì)從凝固溫度開始，如圖如圖9-11（b）。潛熱的釋放能夠使液）。潛熱的釋放能夠使液相溫度保持在凝固溫度，直至所有的液相溫度保持在凝固溫度，直至所有的液相凝固為止。

55、相凝固為止。此時(shí)凝固生長是平面生長此時(shí)凝固生長是平面生長。鑄件的凝固時(shí)間就是排放液體比熱和結(jié)鑄件的凝固時(shí)間就是排放液體比熱和結(jié)晶潛熱所需要的時(shí)間晶潛熱所需要的時(shí)間。從澆注開始到凝固結(jié)束時(shí)的時(shí)間可以使用。從澆注開始到凝固結(jié)束時(shí)的時(shí)間可以使用Chvorinov公式公式計(jì)算。而局部凝固時(shí)間則是指從鑄件中某一特定位置只是排放潛熱所需要的時(shí)計(jì)算。而局部凝固時(shí)間則是指從鑄件中某一特定位置只是排放潛熱所需要的時(shí)間，即凝固開始到凝固完成所需的時(shí)間。對于需要過冷的液相凝固和經(jīng)過孕育間，即凝固開始到凝固完成所需的時(shí)間。對于需要過冷的液相凝固和經(jīng)過孕育液相的凝固來說，局部凝固時(shí)間（和總的凝固時(shí)間）差別甚微。液相的凝固來說，局部凝固時(shí)間（和總的凝固時(shí)間）差別甚微。5. 鑄造凝固組織鑄造凝固組織 通過鑄造工藝方法生產(chǎn)構(gòu)件，就是將熔化金屬澆入模腔中，再使其凝固的方通過鑄造工藝方法生產(chǎn)構(gòu)件，就是將熔化金屬澆入模腔中，再使其