第一章上帝發(fā)誓地方

第一章凝固科學技術與材料1.凝固過程的含義及凝固研究的意義2.凝固技術的發(fā)展歷史3.凝固理論體系的建立與發(fā)展4.凝固科學技術與材料發(fā)展5.凝固過程的控制及其研究的對象6.凝固理論研究的內容7.凝固過程的研究方法8.凝固技術的發(fā)展展望11.凝固過程的含義凝固：指從液態(tài)向固態(tài)轉變的相變過程

水的結冰；火山熔巖的固化；鑄錠、鑄件的生產；非晶、微晶的快速凝固、半導體及各種功能晶體的液相生長。

幾乎一切金屬制品的生產流程中都要經(jīng)歷一次或多次的凝固過程，除了少數(shù)通過粉末冶金過程2凝固研究的意義：由于大部分金屬制品都須經(jīng)歷一次熔化和凝固過程：初生凝固組織對產品的性能有決定性的影響，無論是對于液態(tài)下直接成形的鑄件還是對后續(xù)經(jīng)過塑性加工的棒材、板材或線材；一般認為鍛造、軋制可以消除鋼錠中的缺陷，但不能消除宏觀缺陷，宏觀偏析、縮孔、非金屬夾雜、龜裂等。經(jīng)塑性變形后表面上消除了，但仍作為殘留存在于金屬中。一般通過熱處理能夠消除大部分微觀偏析，但不能消除宏觀偏析，只要有不均勻的化學成分或組織就不能做為可靠性高的材料使用。制造無偏析、均勻細小的凝固組織、或單一柱狀晶，人為自由地控制晶粒的形狀、尺寸、分布一直是冶金技術人員的愿望。32.凝固技術的發(fā)展歷史古代文明史上,凝固曾起過劃時代的作用,鑄冶工藝的應用和發(fā)展,使人類社會從“石器時代”進入“銅器時代”和“鐵器時代”.凝固實踐的長期積累,加上近代的研究使凝固逐漸成為現(xiàn)代材料科學與工程領域中一個重要的分枝.凝固理論與技術:鑄冶工藝已歷經(jīng)幾千年,但有關凝固的研究始于近代,最早的凝固文獻289年前,20世紀40年代前尚未公認的凝固理論,從20世紀40年代以來工業(yè)及科技的發(fā)展,形成了以相關學科的科學理論為基礎的凝固理論,及凝固技術.凝固技術的發(fā)展歷程:鑄冶工藝→常規(guī)凝固→定向凝固→快速凝固→空間凝固→超常凝固凝固加工的特點:

采用凝固過程可以有很寬的冷卻速率范圍(15~18個量級).大型鑄件:10-6K/S,表面高能束快熔:1010~11K/S凝固材料體系:結構材料→功能材料→結構功能材料金屬→金屬間化合物→金屬基復合材料多晶→單晶→微晶非晶43.凝固理論體系的建立與發(fā)展實現(xiàn)凝固過程的控制是人類由來以久的追求，可追溯到公元前4000年前后，青銅器時代。凝固技術的真正迅速發(fā)展是在二次大戰(zhàn)結束后，由半導體材料硅晶體）的發(fā)展而帶動下，建立了凝固過程的傳質理論和傳熱理論，標志了凝固理論的誕生。凝固理論的研究大體上分為三個階段：第一階段：二十世紀，50~60年代：經(jīng)典凝固理論的誕生。在一代大師Chalmers(加）的指導下，Tiller,Jackson,Rutter于50年代初提出了著名的成分過冷理論（在凝固界面前沿溶質分布求解的基礎上）,首次將傳質和傳熱問題藕合起來，分析凝固過程組織形態(tài)。Jackson和Hunt提出了枝晶和共晶合晶凝固過程擴散場理論，建立了枝晶間距和共晶間距與溫度梯度和凝固速度間的關系。Flemings等從工程角度出發(fā)，進一步提出了局部溶質再分配方程等理論模型，以考慮兩相區(qū)中的液相流動效應Chvorinov捷克工程師（俄裔）通過對大量鑄件凝固冷卻曲線的系統(tǒng)研究，提出鑄件模數(shù)概念，導出著名的平方根定律。一直是鑄造工藝設計的理論依據(jù)之一。5第二階段：二十世紀，60年代以來：研究重點是經(jīng)典的凝固理論。到70年代：日本千葉大學的大野篤美，提出的“凝固前沿過冷減小”、晶粒游離和增殖的新概念，對傳統(tǒng)的成分過冷和等軸晶只靠形核長大的理論提出了挑戰(zhàn)。以經(jīng)典的凝固理論為指導取得的成果：實現(xiàn)了凝固過程的優(yōu)化和控制，使大型鑄鋼錠和鑄件的冶金質量得到提高；解決宏觀偏析問題;產生了鋼錠質量控制、連鑄技術；快速凝固技術、定向凝固、半固態(tài)鑄造工藝技術；積累了大量凝固過程的數(shù)據(jù)，為凝固技術的進一步發(fā)展奠定基礎第三階段：最近的20多年里，凝固過程的理論研究進入了新的發(fā)展歷史時期。更清楚地認識到了經(jīng)典凝固理論的局限性，開始了新的思考，推動力是：科學技術的發(fā)展而產生的極端凝固條件（快速凝固，極低速凝固，微重力、超重力，超高壓凝固等）使得一些在普通凝固過程中影響很小，經(jīng)典凝固理論于以忽略的因素變成了主要因素，需要建立新的理論模型；計算機技術的應用使得對過去理論分析和計算無法處理的問題求解成為可能。6凝固理論體系中的一些奠基性成果:(1)液態(tài)金屬的形核理論:

20世紀40-50年代,Turnbull和Fisher在Volmer-Webber-Becker-Doring經(jīng)典形核理論基礎上建立了液固相變的形核理論:(2)晶體生長動力學理論

1951年,Burton和Cabrea在Frank非完整晶體生長理論的基礎上建立了完整和非完整晶體光滑界面的結構模型與動力學理論(BCF理論),奠定了光滑界面生長的理論基礎.(3)成分過冷理論

1953年哈佛大學Charmers等提出了界面穩(wěn)定性概念和成分過冷理論,并導出了著名的成分過冷判據(jù).首次從界面穩(wěn)定性角度揭示了單向合金凝固結構出現(xiàn)復雜形態(tài)的內在原因.奠定了經(jīng)奠凝固理論的基礎.不足之處在于忽略了界面曲率和固液熱物性參數(shù)的差別.(4)界面穩(wěn)定性動力學理論

1964年,Mullins和Sekerka將流體動力學分析方法及干擾技術應用于凝固中界面穩(wěn)定性問題提出了界面穩(wěn)定性的線性動力學理論.7(5)共晶生長理論1966年Jackson和Hunt對正常共晶的藕合生長作了定量描述,提出了J-H模型,求解擴散場方程,得到界面過冷度與共晶間距的關系.(6)枝晶生長邊緣穩(wěn)定性理論結構材料中,枝晶生長的穩(wěn)定性是關注的焦點,1977年,Langer和Muller-Krumbhaar在Ivantsov解的基礎上,提出了邊緣穩(wěn)定性原理(LMK).枝晶生長中,尖端處于分叉不穩(wěn)定和側枝不穩(wěn)定之間的一種邊緣狀態(tài)(7)快速凝固晶體生長理論快速凝固:界面局域平衡假設不成立,液相線斜率,擴散系數(shù),溶質分配系數(shù)均是生長速率的函數(shù).Kurz和Trivedi建立了快速定向凝固下尖端半徑與生長速度關系的KGT模型.84.凝固科學技術與材料發(fā)展1)優(yōu)質鑄件的加工與控制凝固技術發(fā)展目標:凈/近終形---采用新的凝固加工技術,擠壓鑄造,調壓鑄造,半固態(tài)鑄造,連續(xù)鑄造,精密鑄造等.精確控形及組織結構的測控---純凈化,均質化,凈終形,實現(xiàn)凝固過程的精確控制.凝固加工過程的數(shù)值模擬仿真----提高質量5-15倍,增加材料利用率25%,降低技術成本5-20%,縮短生產周期30~60%.航空航天熔模鑄件世界面產量為52.3億美元,美國為24.8億,中國只占1.8億2)定向凝固定向單晶葉片定向凝固:消除橫向晶界或完全消除晶界,沿[001]方向生長.晶向擇優(yōu)控制定向凝固,按最佳的性能方向生長.超精細控制定向凝固---高溫陶瓷晶體連續(xù)生長定向凝固----單晶連鑄,制備準無限長(Cu)單晶93)晶體生長配比準確,極少缺陷的單晶體.采用熔體晶體生產方法使熔體在受控條件下有方向性地凝固,制備各種晶體.光學晶體,磁學晶體,半導體等.4)快速凝固是當前凝固科學與工程中最為活躍的領域之一.特點:高的冷卻速率及明顯的非平衡效應(界面特征,溶質分凝,傳熱傳質條件,材料熱物性等).利用不同組織結構，如:超細組織,亞穩(wěn)相,微晶,納米晶,非晶等滿足使用條件對材料各種性能的要求.5)深過冷凝固借助于快速凝固和熔體凈化的復合作用而得到的一種極端非平衡凝固.

快速凝固通過改變溶質分凝固(溶質捕獲),液固相線溫度及熔體的擴散速度等使合金達到深過冷狀態(tài);熔體凈化則通過消除異質晶核使熔體達到深過冷狀態(tài).得到:超細晶,微晶,準晶,非晶(大塊非晶—金屬玻璃).6)超常凝固特殊條件或特殊環(huán)境下的凝固過程:空間,強電脈沖,超重力場,高壓下,強電磁場下的凝固過程.如:微重力下配制難溶偏晶合金(Co-Cu)105．凝固過程的控制及其研究的對象

研究手段：實驗數(shù)學解析數(shù)值模擬物理模擬相變熱力學：相平衡界面化學平衡凝固動力學：溶質再分配形核生長化學反應傳輸現(xiàn)象：傳熱傳質對流宏觀組織（晶粒形態(tài)與尺寸）微觀組織（亞晶界、枝晶間距、次生相）強化相的形態(tài)、尺寸、分布多相合金的相結構組織均勻性（宏觀與微觀偏析）組織致密性夾雜、氣孔等應力、變形、開裂等晶體結構缺陷（點缺陷、位錯、孿晶等）非晶、微晶、納米晶、非平衡晶凝固過程理論模型控制手段：溫度場控制（冷卻方式）機械力；物理場：電磁力；超重力；微重力；超聲波化學方法：晶粒細化；孕育處理；變質處理研究指導控制形狀完整性力學性能物理性能化學性能建立揭示完善獲得要求11凝固過程控制的目的：得到最理想的組織和性能、最低程度的缺陷、形狀完整、具有一定的物理、化學、力學性能的產品。凝固過程研究的對象和方法：采用實驗、數(shù)學解析、數(shù)值模擬或物理模擬的方法，在熱力學、凝固動力學理論和三傳（傳熱、傳質、傳動量）理論的基礎上建立凝固過程模型利用建立的凝固過程模型對凝固組織（宏觀、微觀、強化相、相結構、組織均勻性）與缺陷（偏析、縮松、縮孔、夾雜、氣孔、裂紋等）、結晶狀態(tài)（非晶、微晶、納米晶等）以及晶體缺陷（孿晶、位錯、點缺陷等）進行預測根據(jù)對組織、性能和缺陷控制的需要：

1）改變凝固條件：傳熱（冷卻速度）、傳質條件；施加物理場（微重力、超重力、電場、磁場）改善傳熱、傳質、對流條件；

2）化學方法（孕育、變質）控制熱力學平衡和動力學過程126．凝固理論研究的內容（1）合金的化學成分

化學成分是決定凝固組織、成分分布、相結構形成傾向的首要因素。相圖：在長期實驗和理論研究的基礎上獲得的大量相圖是對不同成分合金凝固特性進行預測的重要工具。合金凝固的類型：根據(jù)凝固析出相的規(guī)律將分為單相合金：凝固過程中只有一個相析出多相合金：凝固過程中至少有兩個新相，液相或固相；或通過兩個或多個相的反應析出新相（2）凝固過程的傳熱、傳質和對流

決定了一定成分合金的凝固組織形成，因此是凝固理論與技術研究的重點。13（3）合金液的結構與合金液的預處理：過熱、微合金化處理改變合金液的狀態(tài)和結構，影響到凝固組織（4）凝固過程中的控制性環(huán)節(jié)

凝固過程控制性環(huán)節(jié)隨研究對象尺度的變化而不同。小鑄件：導熱成為控制性環(huán)節(jié)，凝固速度快，擴散、自然對流作用不明顯大型鑄件：凝固中的自然對流是控制性環(huán)節(jié)，宏觀偏析是研究與控制的主要問題。14（5）冷卻速率對結晶形態(tài)的影響

不同凝固條件的冷卻速率可相差十幾個數(shù)量級。大型鑄件約為：10-3~10-2℃/s

普通鑄件約為：10-3~102℃/s

普通霧化工藝約為：103℃/s

快速霧化工藝約為：104℃/s

霧化沉積、單輥法和激光表面重熔的冷卻速率可高達：106~109℃/s

不同冷速范圍內凝固過程的主要矛盾變化，研究內容隨之變化。

15（6）應用條件對材料組織、晶體結構的要求不同，凝過程研究的重點也不同，所采取的措施也有很大差別。總的來說：凝固過程研究的內容覆蓋面很廣，難以用一個統(tǒng)一的理論模型加以描述，因而導致了凝固理論和技術的多樣化。

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7．凝固過程的研究方法

凝固過程是一個溫度場、濃度場、流場相藕合的復雜過程凝固過程中涉及到傳熱、傳質、液相流動、固相流動對固液界面的遷移和形態(tài)產生重要影響。數(shù)學解析法：（科學研究追求的最高境界是用一個最簡單的方程概括紛繁復雜的現(xiàn)象）建立起一個精煉的數(shù)學模型是一個學科發(fā)展成熟的標示。數(shù)學模型的建立：尋找各種影響因素、參量之間的邏輯關系的過程。數(shù)學模型建立后，重要是能夠求解析解尋找定解的條件包括：幾何形狀條件、邊界條件、初始條件。事實上往往求解析解是困難的，有限的，需要借助于其它方法。

17數(shù)值計算：（是克服解析解法困難的、解決問題的有效途徑）

是將一個凝固問題轉變?yōu)橛嬎銌栴}。數(shù)值計算法：就是對已有的數(shù)學模型進行離散處理，將連續(xù)變化的

過程轉變?yōu)殡x散的數(shù)值點（密度大，間距?。瑢嶒灧椒ǎ?/p>

重要地是能夠設計一個正確、成功的實驗模型，通過模擬實驗獲取廣泛的數(shù)據(jù)，得出一般性的規(guī)律。

所謂成功的實驗：

1）實驗方案設計合理、巧妙。即實驗次數(shù)少而獲得的數(shù)據(jù)和信息多；2）實驗結果具有廣泛性和普遍性；3）實驗過程操作性好；4）實驗過程和結論能夠正確地反映所模擬的對象和實際，并能推廣到實際中去。

188.凝固技術的發(fā)展展望凝固技術：以凝固理論為基礎進行凝固過程控制的工程技術，是對各種凝固過程控制手段的綜合應用，以盡可能簡單、節(jié)約、高效地獲得具有預期組織的優(yōu)質鑄件。(1)充分認識凝固科學與技術的綜合性凝固科學兼有基礎科學與工程應用的特征,凝固涵括了從鑄件,晶體生長,粉末冶金,材料制備到焊接,半固態(tài)成形,連鑄連軋諸多方面.(2)緊密結合材料發(fā)展的需求合金,金屬/非金屬間化合物,復合材料,人工晶體,納米材料,超導材料,非晶及多功能陶瓷等.(3)加強新興與超常凝固過程的研究開發(fā)(4)凝固過程的模擬仿真(5)大凝固科學的誕生.19鑄件充型凝固過程計算機模擬仿真(簡稱CAE)是學科發(fā)展的前沿領域,是改造傳統(tǒng)鑄造產業(yè)的必由之路。歷經(jīng)數(shù)十年努力,鑄件充型凝固過程計算機模擬仿真已進入工程實用化階段,鑄造生產正在由憑經(jīng)驗走向由科學理論指導。鑄造充型凝固過程的數(shù)值模擬,可以幫助工作人員在實際鑄造前對鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時間予以有效的預測,在澆注前采取對策以確保鑄件質量,縮短試制周期,降低生產成本。鑄造CAE研究與開發(fā)起步于60年代,據(jù)統(tǒng)計國外已投入的研究與開發(fā)費用達數(shù)千萬美元。經(jīng)過幾十年的努力,由于在以下三方面取得了重要突破,

鑄件充型凝固過程計算機模擬仿真在工程上的應用才變?yōu)榭赡芘c現(xiàn)實:a1具有能處理三維復雜形體的圖形功能;b1硬件及軟件費用大幅度下降到鑄造工廠能夠接受;c1計算機操作系統(tǒng)及軟件對用戶友好(userfriendly),一般鑄造工程技術人員稍加培訓就可獨立操作運行。鑄造過程計算機模擬仿真的研究重點正在由宏觀模擬走向微觀模擬。微觀模擬的尺度包括納米級、微米級及毫米級,涉及結晶生核長大、樹枝晶與等軸晶轉變到金屬基體控制等各個方面.2021加工過程與冷速及組織特點冷速范圍名稱加工過程典型厚度枝晶間距10-6~10-3極慢冷大型砂鑄和人造晶體＞6m5~0.5mm10-6~100慢冷標準鑄件,鑄錠6~0.2m500~50μm100~103近快冷薄帶,常規(guī)霧化200mm~0.2mm50~5μm103~106快冷細粉霧化\熔體擠/抽6mm~0.2mm5~0.5μm106~109超快冷噴射沉積,電子束集光表面處理200~6μm0.5~0.05μm22鑄造行業(yè)對國民經(jīng)濟的發(fā)展有重