第一講凝固理論的發(fā)展概論

第一講凝固理論的發(fā)展概論第一節(jié)什么是凝固

從工業(yè)生產(chǎn)到固態(tài)物理,在這些領(lǐng)域的許多過程中，凝固(solidification)現(xiàn)象都起著重要的作用。從成噸的大型鑄錠，到中型的超合金精密鑄件，直至相當(dāng)小的高純度晶體(crystal)，都涉及到凝固?！灸獭课镔|(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程叫凝固。若凝固后的物質(zhì)為晶態(tài)，則凝固過程叫結(jié)晶?！疽蛩亍拷Y(jié)晶與否由液態(tài)物質(zhì)的黏度和冷卻速度決定。黏度小，冷卻速度慢容易結(jié)晶；黏度大，冷卻速度快則容易得到非晶態(tài)物質(zhì)。1河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院【微觀實(shí)質(zhì)】從微觀來看，凝固就是金屬原子(atom)由“近程有序(shortrange)”向“遠(yuǎn)程(long-distance)有序”的過渡(transition)，使原子成為按一定規(guī)則排列的(tactic)晶體；純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)是由原子集團(tuán)、游離原子、空穴或裂紋組成的。原子集團(tuán)由數(shù)量不等的原子組成，其大小為10-10m數(shù)量級(jí)，在此范圍內(nèi)仍具有一定的規(guī)律性，成為“近程有序”。【宏觀現(xiàn)象】從宏觀(macrocosmic)來看，就是把液態(tài)金屬儲(chǔ)存(deposited)的熱量(quantityofheat)傳給外界而凝固成一定形狀的固體。凝固技術(shù)是以凝固理論為基礎(chǔ)進(jìn)行凝固過程控制的工程技術(shù)，是對(duì)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)期凝固組織的優(yōu)質(zhì)制品。2河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院【傳輸過程】傳熱、傳質(zhì)（溶質(zhì)擴(kuò)散）和動(dòng)量傳輸（對(duì)流）【物理場】重力場、電磁場等。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、凝固組織形態(tài)和成分分布?！灸碳夹g(shù)】各種凝固過程控制方法的應(yīng)用導(dǎo)致一系列凝固新技術(shù)的產(chǎn)生，如定向凝固、快速凝固、連續(xù)鑄造、連鑄連軋、半固態(tài)鑄造、鑄造法復(fù)合材料制備技術(shù)、電磁場控制鑄造、微重力凝固等。這些凝固技術(shù)不僅使得傳統(tǒng)材料性能得到超常的發(fā)揮，還推動(dòng)了各種新材料的研制和發(fā)展。凝固過程是通過對(duì)各種傳輸過程和物理場的控制實(shí)現(xiàn)的。3河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院金屬及合金的生產(chǎn)、制備一般都要經(jīng)過熔煉與鑄造，通過熔煉，得到要求成分的液態(tài)金屬，澆注在鑄型中，凝固后獲得鑄錠或成型的鑄件，鑄錠再經(jīng)過冷熱變形以制成各種型材、棒材、板材和線材。

H鋼水包長水口中間包HiHHc注速Vs鑄坯二冷區(qū)，拉速：V，鑄坯總重量M數(shù)據(jù)采集設(shè)備中間包鋼水重量鋼坯拉速1鋼坯拉速n…VnV1W大包鋼水重量T計(jì)算機(jī)處理單元現(xiàn)場操作顯示單元管理文檔4河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院第二節(jié)凝固理論的發(fā)展階段

我國冶鑄技術(shù)已有5000多年的歷史：前3000年為青銅器時(shí)代，后2000年為鐵器時(shí)代。銅器和鐵器的制造是一個(gè)典型的熔化、凝固過程。商朝“鐘鳴鼎食”是權(quán)貴的象征。司馬遷論人能出類拔萃，富甲一方，實(shí)有非凡之毅力。蓋人精打細(xì)算，勤奮節(jié)儉，乃生財(cái)致富之正途，故致富者必出奇制勝也。耕田務(wù)農(nóng)乃繁重之業(yè)，而秦楊以之為一州首富。掘墳盜墓本為作奸犯科，而田叔以之起家興旺。賭技博戲本為不良之行，而桓發(fā)以之而富甲一方。沿街叫賣為男人賤業(yè)，而雍樂成以之殷實(shí)富饒。販脂賣膏為恥辱之業(yè)，而雍伯以之獲利千金。賣水鬻漿本為小本經(jīng)營，而張氏以之賺錢千萬。磨刀礪劍本為雕蟲小技，而郅氏以之列鼎而食。售羊胃肉脯乃微不足道之事，而濁氏以之車馬成行。為馬治病乃低淺醫(yī)術(shù)，而張里以之擊鐘佐食。彼等皆由于專心篤志而致富也?！扮婙Q鼎食”之成語，即由此典故演變而來。古代豪門貴族吃飯時(shí)要奏樂擊鐘，用鼎盛著各種珍貴食品(敲著鐘，列鼎而食）。故用“鐘鳴鼎食”形容權(quán)貴的豪奢排場，舊時(shí)還形容富貴人家生活奢侈豪華。漢張衡《西京賦》：“擊鐘鼎食，連騎相過。”唐王勃《滕王閣序》：“閭閻撲地，鐘鳴鼎食之家?！?河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院第二節(jié)凝固理論的發(fā)展階段

曾侯乙是一位名乙的曾國諸侯王。從楚惠王送給他的一件青銅镈上的三十一字銘文看，曾侯乙死于公元前433年或稍晚，通過對(duì)其尸骸的碳14測(cè)定，可以推定曾侯乙的死亡年代在公元前433年到公元前400年之間，他死時(shí)年齡在42―45歲之間。綜合考察其他材料，曾侯乙應(yīng)當(dāng)生于公元前475年或稍晚，約在公元前463年前后成為諸侯王，在位約三十年。出土文物表明，曾侯乙生前非常重視樂器制造與音律研究，興趣廣泛，同時(shí)也是擅長車戰(zhàn)的軍事家。

1978年湖北隨縣出土的曾侯乙青銅器編鐘，64件共分8組，可演奏中外名曲。它們是距今2400多年前戰(zhàn)國初期鑄造的。北京大鐘寺的永樂大鐘，是明永樂十八年（公元1418~1422）鑄造的，重46t，高5.84m，外徑33m，內(nèi)徑2.9m。鐘體內(nèi)外鑄滿筆畫清晰的經(jīng)文約22700個(gè)文字。其鐘聲優(yōu)雅悅耳，可傳數(shù)十里，堪稱世界之最。由此可見，當(dāng)時(shí)對(duì)青銅的化學(xué)成分和凝固過程的控制已達(dá)到很高的水平。6河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院1978年湖北隨縣出土的曾侯乙青銅器編鐘永樂大鐘聲傳90里7河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院Historically,simplecastobjects(incopper)firstappearedbeforeabout4000BC(BronzeAge)andwere,nodoubt,anaturalby-productofthepotter'sskillinhandlingtheclayusedinfurnaceandmould-making.Thelost-wax(investmentcasting)processwasdevelopedinMesopotamiaaslongagoas3000BC.TheproductionofrenownedandhighlysophisticatedbronzecastingsofChinabeganinabout1600BC.Iron-castinginChinabeganinabout500BC(IronAge)butinEuropecastirondidnotappear1902untilthe16thcentury8河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院近代凝固理論大約經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段:【階段一】20世紀(jì)60年代前誕生了經(jīng)典的凝固理論（1）1945-1950年美國哈佛大學(xué)D.TURNBULL將Volume-Webber-Becker-Doring形核理論引入凝聚態(tài)體系，創(chuàng)立凝固過程形核理論該理論認(rèn)為凝固首先是成核，接著是核心長大直至成為固態(tài)。（2）在多倫多大學(xué)B.Chalmers的指導(dǎo)下，許多著名的凝固學(xué)家脫穎而出。他們?cè)趯?duì)凝固界面附近溶質(zhì)分析求解的基礎(chǔ)上，總結(jié)出“成分過冷”理論，并提出了可操作性的成分過冷判據(jù)：首次將傳熱和傳質(zhì)耦合起來，研究其對(duì)晶體生長方式和形態(tài)的影響。1961年出版了國際上第一本凝固理論專著“PrinciplesofSolidification”（3）Flemings（MIT）等從工程的角度出發(fā)，研究了兩相區(qū)內(nèi)液相流動(dòng)效應(yīng)，提出了局部溶質(zhì)再分配方程等理論模型推動(dòng)了凝固科學(xué)的發(fā)展。（4）捷克的Chvorinov通過對(duì)大量逐漸凝固冷卻曲線的分析，引入了鑄件模數(shù)（按照模數(shù)理論，鑄件的凝固時(shí)間取決于它的體積和傳熱表面積的比值，其比值稱為凝固模數(shù)，簡稱模數(shù)，用M=V/A(cm)表示

）的概念，建立了求解鑄件凝固層厚度和鑄件凝固時(shí)間的數(shù)學(xué)方程，導(dǎo)出了著名的平方根定律。該定律仍是今日鑄造工藝設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)之一。9河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院【階段二】20世紀(jì)60年代后經(jīng)歷了較長時(shí)間內(nèi)的應(yīng)用研究與新技術(shù)開發(fā)

在此后的較長一段時(shí)間內(nèi)，研究的重點(diǎn)放在經(jīng)典理論的應(yīng)用上，以提高材料的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的成本，以便用低的消耗獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。出現(xiàn)了先進(jìn)的凝固技術(shù)和材料成形方法，積累了大量的凝固過程參數(shù)，為凝固學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。包括：

快速凝固；定向凝固；等離子熔化技術(shù)；激光表面重熔技術(shù)；半固態(tài)鑄造；擴(kuò)散鑄造；調(diào)壓鑄造。

定向結(jié)晶裝置原理圖10河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院【階段三】近代，凝固學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了新的歷史時(shí)期

對(duì)凝固過程的認(rèn)識(shí)逐漸從經(jīng)驗(yàn)主義中擺脫出來，對(duì)經(jīng)典理論的局限性有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)：

(1)1964年日本的大野篤美，受北大西洋冰山的啟發(fā)，用氯化銨水溶液模擬鋼液凝固做了大量的試驗(yàn)研究，提出了晶粒游離和晶粒增殖的理論，并發(fā)現(xiàn)了凝固前沿“過冷度減小”的概念，從而使人們從靜止的觀點(diǎn)發(fā)展到用動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)來分析凝固過程。1973年出版了“金屬凝固學(xué)”。

(2)1965-1968牛津大學(xué)材料系J.D.Hunt教授創(chuàng)立J-H經(jīng)典共晶生長理論(3)1982年哈佛大學(xué)應(yīng)用科學(xué)部M.J.AZIZ博士提出快速凝固溶質(zhì)截留理論(4)特別令人感興趣的是，由干計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，能定量地描述液態(tài)金屬（合金）的凝固過程，可以對(duì)凝固過程和凝固缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)采用對(duì)凝固過程的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法能有效地控制凝固過程，以最小的投入，獲得大的產(chǎn)出。在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了許多新的凝固理論和模型。它們將溫度場、應(yīng)力場、流動(dòng)場耦臺(tái)起來進(jìn)行研究，其結(jié)果更接近于實(shí)際。

11河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院

國內(nèi)緊隨其后，研究開發(fā)的凝固模擬軟件，在科研和實(shí)際生產(chǎn)中得到了較廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者近年來在凝固學(xué)方面取得了很大的進(jìn)展，中國已成為國際凝固過程研究的重要成員之一。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，發(fā)現(xiàn)了凝固組織形態(tài)選擇的時(shí)間相關(guān)性和歷史相關(guān)性的現(xiàn)象，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一定條件下枝晶生長間距也不是唯一的。中國科學(xué)院沈陽金屬研究所快速凝固及非平衡合金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在超高溫條件下，研究非晶的形成規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)了新的亞穩(wěn)態(tài)相和具有分形結(jié)構(gòu)的自組織。12河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院(1)金屬材料制備；(2)金屬材料的成形加工；(3)無機(jī)非金屬材料的合成與晶體長；(4)非平衡新材料的研制；(5)凝固過程的多尺度、多學(xué)科建模與仿真。第三節(jié)金屬凝固過程的研究對(duì)象研究對(duì)象13河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院(1)【凝固組織的形成與控制】凝固組織包括晶粒大小、形態(tài)等，能隨心所欲地獲得所希塑的組織是長期以來人們所追求的目標(biāo)之一。(2)【凝固缺陷的防止與控制】液態(tài)結(jié)晶收縮可形成縮孔、縮松；結(jié)晶期間固相和液相中的再分配會(huì)造成偏析缺陷；冷卻過程中熱應(yīng)力的集中可能會(huì)造成鑄件裂紋。在各種凝固成形方法中，如何與缺陷作斗爭仍是一個(gè)重要的基本問題。(3)【鑄件尺寸精度和表面粗糙度控制】鑄件尺寸精度和表面租糙度要受到凝固成形方法和工藝中諸多因素的制約和影響，其控制難度很大，這阻礙著近凈成品鑄造技術(shù)的發(fā)展。第四節(jié)凝固過程基本問題基本問題14河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院

(1)【數(shù)學(xué)解析方法】數(shù)學(xué)解析包括數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)理方程的求解。在數(shù)學(xué)模型建立之后，需要尋找定解條件。這些定解條件包括幾何形狀條件，邊界條件和初始條件。(2)【數(shù)值計(jì)算方法】當(dāng)對(duì)已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型無法找到解析解的時(shí)候，采用數(shù)值計(jì)算方法是解決問題的有效途徑。數(shù)值計(jì)算方法首先需要對(duì)已有的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散處理，將連續(xù)的變化過程轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)值點(diǎn)，一個(gè)凝固問題便轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算問題?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展使得可以找到數(shù)學(xué)模型的問題都能夠通過數(shù)值計(jì)算方法解決。(3)【實(shí)驗(yàn)方法】實(shí)驗(yàn)不僅可以驗(yàn)證理論模型的合理性，而且對(duì)于尚且無法找到數(shù)學(xué)模型的過程，采用實(shí)驗(yàn)方法是解決問題的有效手段然而，由于受到鑄件尺寸、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用、場地、測(cè)試技術(shù)和方法的限制，有時(shí)無法直接對(duì)實(shí)際凝固過程進(jìn)行測(cè)試。第五節(jié)凝固過程研究方法研究方法15河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院(1)【凝固是金屬材料生產(chǎn)過程中材料冶金質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)】鑄坯的凝固質(zhì)量不僅影響后續(xù)的加工工藝，而且對(duì)最終產(chǎn)品的性能有重要影響。(2)【凝固過程與控制是制造業(yè)的基本方法和關(guān)鍵技術(shù)之一】鑄造技術(shù)因其可低成本生產(chǎn)復(fù)雜形狀構(gòu)件而成為機(jī)械制造業(yè)關(guān)鍵技術(shù)。(3)【凝固是新材料研制的重要手段】凝固技術(shù)是非平衡凝固成為非晶、準(zhǔn)晶、納米等非平衡新材料研制的重要途徑。(4)【控制熔化是新材料合成及材料加工的重要手段】熔化過程的應(yīng)用主要體現(xiàn)在半固態(tài)加工過程中溶質(zhì)的擴(kuò)散、液相形成與分布及固相形貌的控制。在熔焊過程中熔區(qū)的形成及其與固相界面的微觀形貌控制。在化合物材料的合成過程中，將出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散、熔化與凝固耦合進(jìn)行的過程。在熔化末期，研究各種難溶質(zhì)點(diǎn)和原子集團(tuán)在熔體中的存在及其穩(wěn)定性對(duì)于凝固組織中的晶?？刂埔约胺蔷B(tài)材料的制備均具有重要意義。綜上所述，凝固過程與控制及其相關(guān)的熔化過程研究是決定金屬材料制備水平和新材料研制能力的重要技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域。第六節(jié)凝固學(xué)科的戰(zhàn)略地位戰(zhàn)略地位16河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院

(1發(fā)展近終形產(chǎn)品（鑄件、型材等）的凝固技術(shù)；(2)利用凝固技術(shù)制備具有復(fù)雜組織和相變過程的新材料。(3)對(duì)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步揭示，通過新方法對(duì)合金液進(jìn)行預(yù)處理，控制凝固組織；(4)利用多種物理場耦合，進(jìn)行凝固組織與過程控制；(5)采用新的加熱和制冷方法對(duì)凝固過程熱平衡條件進(jìn)行更有效的控制；(6)遠(yuǎn)平衡條件下亞穩(wěn)相的凝固，化合物晶體材料凝固界面過程，凝固過程晶體結(jié)構(gòu)缺陷的形成與演變等深層次的過程和現(xiàn)象；(7)多尺度、多學(xué)科的凝固過程建模與仿真及其控制；(8)通過對(duì)熔化過程基本原理的研究，發(fā)展新的新材料制備、加工、合成及組織控制新技術(shù)；(9)多元多相合金的凝固理論研究。現(xiàn)代凝固理論在簡單二元合金的研究中已經(jīng)取得很大進(jìn)展，但人們對(duì)工業(yè)上最有發(fā)展前途的多元多相合金體系凝固過程的認(rèn)識(shí)則非常有限；(10)復(fù)雜體系合金液態(tài)結(jié)構(gòu)與凝固行為的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究。在多組元合金液中存在著極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，不同元素間的相互作用、原子團(tuán)簇的形成及其演變，乃至固相微粒及其穩(wěn)定性等。揭示合金的微觀結(jié)構(gòu)與演變規(guī)律是先進(jìn)材料非平衡制備及凝固組織控制的科學(xué)基礎(chǔ)。為此需要重點(diǎn)研究的課題是：(11)高性能鑄件精確成形原理與技術(shù)。精密化、薄壁化、輕量化、整體化、復(fù)合化和高性能代表了鑄件生產(chǎn)的發(fā)展方向，第七節(jié)凝固學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì)及理論問題發(fā)展方向17河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院(1)進(jìn)一步揭示凝固過程的深層次的自然規(guī)律。探索多組元合金的凝固規(guī)律及其描述方法，物理場與溫度場耦合作用下的凝固行為，近快速、快速、高壓等極端條件下的凝固行為；(2)發(fā)展凝固過程的控制技術(shù)，促進(jìn)金屬材料制備過程的技術(shù)進(jìn)步。以原材料冶金質(zhì)量的控制、提高為目標(biāo)，發(fā)展先進(jìn)的凝固控制新方法，實(shí)現(xiàn)金屬材料生產(chǎn)過程向清潔、高效、低能耗、高品質(zhì)的方向發(fā)展；(3)發(fā)展成形控制與組織控制一體化新技術(shù)。實(shí)現(xiàn)鑄件與焊接結(jié)構(gòu)的形狀、微觀組織與力學(xué)性能的精確控制，探索凝固成形新技術(shù)，提高機(jī)械零件的整體制造水平；(4)發(fā)展非平衡凝固的理論與方法，促進(jìn)新材料的研制。通過揭示快速、高壓、深過冷、高能束高速加熱等條件下的非平衡凝固規(guī)律，結(jié)合材料的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)展非晶、準(zhǔn)晶、微晶、納米等非平衡新材料的制備技術(shù)；(5)加強(qiáng)學(xué)科的交叉，推動(dòng)凝固技術(shù)在功能材料研制中的應(yīng)用。發(fā)展化合物半導(dǎo)體、鐵電材料、非線性光學(xué)晶體等新材料的原料提純、合成和單晶生長新技術(shù)；(6)加強(qiáng)與信息學(xué)科的交叉，進(jìn)一步推動(dòng)科學(xué)計(jì)算及模擬技術(shù)在凝固過程中的應(yīng)用。第八節(jié)凝固學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)戰(zhàn)略目標(biāo)18河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院第九節(jié)凝固過程中材料的物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)的變化（1）體積改變：大多數(shù)材料在經(jīng)歷液－固轉(zhuǎn)變時(shí)，其體積將縮小3－5％，原子的平均間距減小1－1.7％，是導(dǎo)致缺陷形成的主要原因之一。（2）外形改變：材料發(fā)生液－固轉(zhuǎn)變后，其外形將保持容器的形狀，這就是鑄造----古老而又年輕的工藝手段。（3）熵值改變：熵值表示一個(gè)體系的紊亂程度，越大，體系越紊亂。*熵(entropy)是德國物理學(xué)家克勞修斯(RudolfClausius,1822–1888)在1850年發(fā)明的一個(gè)術(shù)語，用來表現(xiàn)任何一種能量在空間中散布的平均水平。能量散布得越平均，熵就越大，一般用符號(hào)S表示。簡單地說，熵是系統(tǒng)紊亂和無序程度的度量。熵值越大，紊亂無序的水平越大。當(dāng)材料發(fā)生液－固轉(zhuǎn)變時(shí)，熵值將減小，說明固體比液體的結(jié)構(gòu)更“整齊”。19河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院（4）產(chǎn)生凝固潛熱：

物體在加熱或冷卻過程中，溫度升高或降低而不改變其原有相態(tài)所需吸收或放出的熱量，稱為“顯熱”。它能使人們有明顯的冷熱變化感覺，通?？捎脺囟扔?jì)測(cè)量出來。（如將水從20℃的升高到80℃所吸收到的熱量，就叫顯熱。）在物體吸收或放出熱量過程中，其相態(tài)發(fā)生了變化（如氣體變成液體……），但溫度不發(fā)生變化，這種吸收或放出的熱量叫“潛熱”?！皾摕帷睘椴荒苡脺囟扔?jì)測(cè)量出來，人體也無法感覺到，但可通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算出來。飽和空氣在吸收一定冷量（即放出熱量）后，一部分水蒸氣會(huì)相變成液態(tài)水，而此時(shí)飽和空氣溫度并不下降，這部分放出的熱量就是“潛熱”。20河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院（5）晶體結(jié)構(gòu)改變1200℃時(shí)液態(tài)金屬原子的狀態(tài)1500℃時(shí)液態(tài)金屬原子的狀態(tài)21河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院（6）發(fā)生溶質(zhì)再分配凝固過程的溶質(zhì)再分配22河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院第十節(jié)鋼的凝固現(xiàn)象1.出爐鋼水質(zhì)量控制

2.鋼水傳遞過程的物理化學(xué)現(xiàn)象

3.澆鑄過程的流體流動(dòng)現(xiàn)象

4.鋼液結(jié)晶與凝固結(jié)構(gòu)

5.鋼水凝固傳熱

6.凝固過程的偏析

7.凝固坯殼應(yīng)力

8.凝固收縮

9.鑄坯中的氣體和夾雜

10．保護(hù)渣

23河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院1.出爐（tapping）鋼水(moltensteel)質(zhì)量控制

包括：（1）鋼水溫度的控制，其中涉及到的內(nèi)容有鋼水溫度控制的重要性(significance)、鋼水溫度控制的熱工過程、合適澆注溫度的確定。（2）鋼水成分控制，其中涉及到的內(nèi)容有鋼中碳(carbon)含量(content)、氧(oxygen)含量（沸騰(ram)鋼氧控制、半鎮(zhèn)靜鋼氧控制、鎮(zhèn)靜鋼(killedsteel)氧控制）。24河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院2.鋼水傳遞(transfer)過程的物理化學(xué)現(xiàn)象

包括:(1)出鋼鋼流的化學(xué)反應(yīng)(2)注流與空氣的作用(3)鋼液與耐火材料的作用和水口(nozzle)結(jié)瘤(hump)等。25河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院3.澆鑄過程的流體流動(dòng)(liquidflow)現(xiàn)象包括：(1)鋼液流動(dòng)特性(characteristic)(2)澆注過程流動(dòng)水力學(xué)(hydraulics)(3)流動(dòng)的物理模擬(simulation)和數(shù)學(xué)模擬。1.水模型2.FDC軟件26河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院4.鋼液結(jié)晶與凝固結(jié)構(gòu)

包括：(1)液固相變的熱力學(xué)(thermodynamics)特點(diǎn)(2)均質(zhì)形核（core）(3)非均質(zhì)形核(4)晶核長大(5)樹枝晶(branchcrystal)凝固(6)凝固結(jié)構(gòu)和凝固結(jié)構(gòu)的控制。27河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院5.鋼水凝固傳熱(transferofheat)

包括:(1)鋼液凝固熱平衡(equilibrium)(2)鑄坯傳熱機(jī)構(gòu)(3)傳熱與凝固定律(law)(4)傳熱方程在鋼水凝固的應(yīng)用（二冷配水等）。28河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院6.凝固過程的偏析包括:(1)凝固顯微偏析:結(jié)晶的不平衡性、凝固過程溶質(zhì)(solute)再分配、凝固顯微偏析和影響顯微偏析因素(2)凝固宏觀偏析:凝固產(chǎn)品的宏觀偏析、凝固過程液體流動(dòng)、宏觀偏析溶質(zhì)分配方程、鋼錠錐形偏析、連鑄坯中心偏析和宏觀偏析的控制。29河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院7.凝固坯殼應(yīng)力(stress)

包括:(1)鋼的高溫力學(xué)(mechanics)行為:鋼的高溫延性和鋼高溫力學(xué)行為定律(2)凝固坯殼的應(yīng)力:鼓肚力、彎曲或矯直力、熱應(yīng)力、意外機(jī)械力、坯殼與結(jié)晶器摩擦力和相變應(yīng)力。30河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院8.凝固收縮(shrink)包括:(1)凝固過程體積(volume)變化(2)縮孔(shrinkhole)的形成(3)收縮與裂紋(crack)。31河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院9.鑄坯中的氣體和夾雜包括:(1)鎮(zhèn)靜鋼凝固過程氣體的析出(separateout)(2)沸騰鋼凝固過程氣體的析出(3)凝固過程中新相(phase)生成、鋼錠中夾雜物和連鑄坯夾雜物。32河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院10．保護(hù)渣(mouldflux)(1)連鑄保護(hù)渣成分設(shè)計(jì)(2)連鑄保護(hù)渣物理化學(xué)特性(3)連鑄保護(hù)渣在結(jié)晶器中的行為(4)連鑄保護(hù)渣與連鑄坯表面質(zhì)量(5)高速連鑄保護(hù)渣的研制及應(yīng)用。33河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院第十一節(jié)凝固理論的應(yīng)用【應(yīng)用一】細(xì)化金屬鑄件晶粒細(xì)化晶粒的好處：提高強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。工業(yè)上將通過細(xì)化晶粒來提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。[細(xì)化鑄件晶粒的基本途徑]:形成足夠多的晶核，使它們?cè)谏形达@著長大時(shí)便相互接觸，完成結(jié)晶過程。(1)大的形核率以保證單位時(shí)間、單位體積液體中形成更多的晶核;(2)小的長大線速度以保證有更長的形核時(shí)間。34河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院【措施1】提高過冷度過冷度增加，形核率N與長大線速度G均增加，但形核率增加速度高于長大線速度增加的速度，因此，增加過冷度可以使鑄件的晶粒細(xì)化。

在工業(yè)上增加過冷度是通過提高冷卻速度來實(shí)現(xiàn)的。采用導(dǎo)熱性好的金屬模代替砂模；在模外加強(qiáng)制冷卻；在砂模里加冷鐵以及采用低溫慢速澆鑄等都是有效的方法；加大冷卻水量，即提高比水量和結(jié)晶器通水量。35河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院【措施2】變質(zhì)處理外來雜質(zhì)能增加金屬的形核率并阻礙晶核的生長。如果在澆注前向液態(tài)金屬中加入某些難熔的固體粒，會(huì)顯著地增加晶核數(shù)量，使晶粒細(xì)化。這種方法稱為變質(zhì)處理，加入的難熔雜質(zhì)叫變質(zhì)劑。變質(zhì)處理是目前工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的方法。如：往鋁和鋁合金中加入鋯和鈦；往鋼液中加入鈦、鋯、釩；往鑄鐵鐵水中加入Si—Ca合金都能達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。36河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院圖Al-Mg合金變質(zhì)處理前后的對(duì)照37河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院【措施3】微合金化細(xì)化方法在[C%]低時(shí)改善鋼的強(qiáng)度、韌性和延性的關(guān)鍵在于通過奧氏體轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的鐵素體晶粒的細(xì)化。通過單獨(dú)或者復(fù)合添加微量合金化元素Al、Nb、V或者Ti可以達(dá)到奧氏體晶粒細(xì)化從而鐵素體晶粒也細(xì)化的效果。根據(jù)鋼的固溶處理情況,Nb能夠起到晶粒細(xì)化劑或者析出強(qiáng)化劑的作用,在較低的固溶溫度(小于1000℃)下大部分Nb不固溶,而那些脫離溶體的Nb的碳氮化物質(zhì)點(diǎn)則將對(duì)晶界的移動(dòng)起阻礙作用,從而獲得細(xì)晶粒。38河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院一般對(duì)微合金鋼的界定是:鋼中加入[Ni%]+[V%]+[Ti%]<0.15%。有人將化合物(TiC、VN、TiN等)熱壓入w(C)=0.1%的鋼中,發(fā)現(xiàn)這些化合物都有促進(jìn)鐵素體形核的作用。其中,VN最為有效。加入鋼中的合金化元素,若形成第二相,則可能對(duì)晶粒長大起釘扎作用。釘扎作用是傳統(tǒng)的合金化細(xì)化晶粒方法中起作用的機(jī)制,但對(duì)低碳鋼的超細(xì)晶?；?促進(jìn)形核機(jī)制可能起著主導(dǎo)作用。39河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院單純的合金化超細(xì)化技術(shù)對(duì)鋼鐵材料組織的細(xì)化作用有較大的局限性,它往往是結(jié)合一定的熱處理工藝進(jìn)行綜合超細(xì)化,這樣才能得到較好的效果。對(duì)C-Mn和C-Mn-Nb鋼的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,在軋制快速冷卻時(shí)的大形變加工熱處理下,加工溫度為530℃的C-Mn鋼和加Nb鋼的鐵素體晶粒直徑分別為1.2μm和0.7μm,并且為獲得同一晶粒直徑,加Nb鋼的加工溫度可以高一些,即在高50～100℃情況下可獲得相同晶粒直徑。在低碳鋼中添加微合金化元素,并結(jié)合控軋控冷(TM-CP)工藝從而細(xì)化晶粒,在工業(yè)上已有應(yīng)用。并且業(yè)已發(fā)現(xiàn),隨著終軋溫度下降,鐵素體晶粒尺寸也有減小。微合金化方法是低碳鋼晶粒超細(xì)化的有效途徑,它可以同時(shí)滿足晶粒細(xì)化而又不過分提高材料成本的要求。40河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院【措施4】振動(dòng)、攪拌在澆注和結(jié)晶過程中實(shí)施攪拌和振動(dòng)，也可以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。攪拌和振動(dòng)能向液體中輸入額外能量以提供形核功，促進(jìn)晶核形成；可使結(jié)晶的枝晶碎化，增加晶核數(shù)量。攪拌和振動(dòng)的方法有機(jī)械、電磁、超聲波法等。

41河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院電磁場處理細(xì)化方法強(qiáng)電磁場可使奧氏體和鐵素體的Gibbs自由能降低,從而提高A3溫度：磁場的場強(qiáng)每增加1T,A3溫度升高1～3℃,幅度隨著鋼液成分的不同而變,因此強(qiáng)磁場或電場與溫度、壓力、化學(xué)成分等因素一樣,也是影響金屬相變的因素。研究表明,電磁場對(duì)鋼材凝固結(jié)晶相變和固態(tài)再結(jié)晶相變都可以起到細(xì)化晶粒的作用。凝固相變中,外加交變磁場可減小等軸晶尺寸以及柱狀晶體積分率,熔體與交變磁場相互作用產(chǎn)生感應(yīng)電流,導(dǎo)致溶體內(nèi)產(chǎn)生規(guī)則的波動(dòng),破碎長大的晶粒從而細(xì)化了凝固組織。在固相相變中,試驗(yàn)證實(shí)電磁場對(duì)晶?；謴?fù)、再結(jié)晶等過程有影響,可以細(xì)化晶粒。王金錄等人認(rèn)為這是足夠大的磁場提供了靜磁能,而加大了相變驅(qū)動(dòng)力,并可能影響原子的擴(kuò)散,而促進(jìn)相變形核。42河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院馮光宏等人將控軋控冷的低碳MnNb鋼試樣加熱到1000℃,然后放到穩(wěn)恒磁場中空冷至室溫,發(fā)現(xiàn)其晶粒尺寸隨穩(wěn)恒磁場的磁場密度的增大而減小,基本上呈直線關(guān)系。邸洪雙等人將電磁場方法與塑性變形細(xì)化方法結(jié)合起來,得到了更好的細(xì)化效果。電磁場細(xì)化處理方法應(yīng)用在凝固相變中,不僅能細(xì)化晶粒,而且可以消除宏觀偏析。由于電磁場的場強(qiáng)比較容易通過電流、電壓等參數(shù)以及設(shè)備的調(diào)整進(jìn)行控制,所以這種方法在開發(fā)超細(xì)晶粒鋼中,是很有前途的。影響電磁場在凝固中效果的因素眾多,目前主要是應(yīng)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。43河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院【應(yīng)用二】定向凝固定向凝固是在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固技術(shù)是在高溫合金的研制中建立和完善起來的。該技術(shù)最初用來消除結(jié)晶過程中生成的橫向晶界，甚至消除所有晶界，從而提高材料的高溫性能和單向力學(xué)性能。在定向凝固過程中溫度梯度和凝固速率這兩個(gè)重要的凝固參數(shù)能夠獨(dú)立變化，可以分別研究它們對(duì)凝固過程的影響。這既促進(jìn)了凝固理論的發(fā)展，也激發(fā)了不同定向凝固技術(shù)的出現(xiàn)。44河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院定向凝固技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)定向凝固技術(shù)新型定向凝固技術(shù)發(fā)熱鑄型法功率降低法快速凝固法液態(tài)金屬冷卻法區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法激光超高溫度梯度快速定向凝固電磁約束成形定向凝固技術(shù)深過冷定向凝固技術(shù)側(cè)向約束下的定向凝固技術(shù)對(duì)流下的定向凝固技術(shù)重力場作用下的定向凝固技術(shù)Insituandreal-timeimaging45河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院發(fā)熱鑄型法和功率降低法

(PowerDown，簡稱PD)將熔化好的金屬液澆入一側(cè)壁絕熱，底部冷卻，頂部覆蓋發(fā)熱劑的鑄型中，在金屬液和己凝固金屬中建立起一個(gè)自上而下的溫度梯度，使鑄件自上而下進(jìn)行凝固，實(shí)現(xiàn)單向凝固。石墨感應(yīng)發(fā)熱器放在分上下兩部分的感應(yīng)圈內(nèi)。加熱時(shí)上下兩部分感應(yīng)圈全通電，在模殼內(nèi)立起所要求的溫度場．然后注入過熱的合金熔液。此時(shí)下部感應(yīng)圈停電，通過調(diào)節(jié)輸入上部感應(yīng)圈的功率，使之產(chǎn)生一個(gè)軸向溫度梯度。這種方法由于所能獲得的溫度梯度不大，并且很難控制，致使凝固組織粗大，鑄件性能差，因此，該法不適于大型、優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)。但其工藝簡單、成本低，可用于制造小批量零件。46河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院快速凝固法(HiRapidSolidification，簡稱HRS)

HRS法與PD法的主要區(qū)別是，鑄型加熱器始終加熱，在凝固時(shí)鑄件與加熱器之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。另外在熱區(qū)底部使用輻射擋板和水冷套。在擋板附近產(chǎn)生較大的溫度梯度。HRS法與PD法相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：①有較大的溫度梯度G，能改善柱狀晶質(zhì)量和補(bǔ)縮條件，在約300mrn高度內(nèi)可以全是柱狀晶；②由于局部凝固時(shí)間和糊狀區(qū)都變小，使顯微組織致密，減小偏析，從而可改善合金組織，提高力學(xué)性能；⑧提高凝固速率2～3倍，可達(dá)300mm／h。HRS法的主要缺點(diǎn):仍然是溫度梯度G不夠大；而且在凝固階段初期熱量散失以通過水冷底座的對(duì)流傳熱為主，隨著鑄型的下降凝固界面與水冷底座距離增大，對(duì)流傳熱方式減小，轉(zhuǎn)為凝固層的輻射散熱為主。因此HRS法凝固過程中溫度場不穩(wěn)定，并且凝固層輻射散熱起主導(dǎo)作用時(shí)，溫度梯度G有所下降，凝固速率隨之下降。47河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院

液態(tài)金屬冷卻法

(LiquidMetalCooling，LMC)

在提高散熱能力和增大界面液相溫度梯度方面，PD法和HRS法都受到一定條件的限制。早在1974年出現(xiàn)的一種新的定向凝固方法．液態(tài)金屬冷卻法。其工藝過程與HRS法基本相同，其主要區(qū)別在于冷卻介質(zhì)為低熔點(diǎn)液態(tài)金屬。由于液態(tài)金屬與已凝固界面之間的換熱系數(shù)很大，因此這種方法提高了鑄件冷卻速度和凝固過程中的溫度梯度，而且在較大的生長范圍內(nèi)可使界面前沿溫度梯度保持穩(wěn)定，結(jié)晶在相對(duì)穩(wěn)定的溫度梯度下進(jìn)行，可獲得比較長的單向柱狀晶。48河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法

(ZoneMeltingandLiquidMetalCooling，ZMLMC)人們?cè)贚MC法的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種新型的定向凝固技術(shù)．區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法。該方法將區(qū)域熔化與液態(tài)金屬冷卻相結(jié)合，利用感應(yīng)加熱集中對(duì)凝固界面前沿液相進(jìn)行加熱，從而有效地提高了固液界面前沿的溫度梯度。

最高溫度梯度1300K/cm，最大冷卻速度可達(dá)50K/s。

49河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院激光超高溫度梯度快速定向凝固

LaserRapidDirectionalSolidificationwithUltrahigh

TemperatureGradient，LRDSUHTG定向凝固技術(shù)發(fā)展的歷史就是不斷提高溫度梯度和凝固速率的歷史。激光能量高度集中的特性,使它具備了在作為定向凝固熱源時(shí)可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。在激光表面快速熔凝時(shí)，凝固界面的溫度梯度可高達(dá)5×104K/cm,凝固速度高達(dá)數(shù)米每秒。但一般的激光表面熔凝過程并不是定向凝固，因?yàn)槿鄢貎?nèi)部局部溫度梯度和凝固速度是不斷變化的，且兩者都不能獨(dú)立控制；同時(shí)，凝固組織是從基體外延生長的，界面上不同位置的生長方向也不相同。50河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院深過冷定向凝固技術(shù)

(supercoolingdirectionalsolidification，SDS)基本原理是將盛有金屬液的坩堝置于一激冷基座上，在金屬液被動(dòng)力學(xué)過冷的同時(shí)，金屬液內(nèi)建立起一個(gè)自下而上的溫度梯度，冷卻過程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的樹枝晶骨架，其間是殘余的金屬液。在隨后的冷卻過程中，這些金屬液依靠向外界散熱而向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。一旦形核,生長速率很快,基本上不受外界散熱條件的影響?？梢悦獬龔?fù)雜的抽拉裝置。另外,凝固速度快,時(shí)間短,可大幅度提高生產(chǎn)效率。但要實(shí)用化，還需解決兩個(gè)問題:一是研究不同過冷度條件下，過冷熔體激發(fā)形核后晶體生長方式和組織形成規(guī)律，確定適用于形成枝晶陳列微觀組織的試驗(yàn)條件和工藝因素;其次是在上述研究成果的基礎(chǔ)上最終解決大體積深過冷熔體激發(fā)快速定向凝固技術(shù)，使之實(shí)用化。51河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院電磁約束成形定向凝固技術(shù)將電磁約束成形技術(shù)和高梯度定向技術(shù)相結(jié)合而提出的新型材料制備技術(shù)。它將電磁場對(duì)材料的加熱和電磁力作用這兩種效應(yīng)耦合起來，在對(duì)材料加熱熔化的同時(shí)施加約束力，約束合金液的形狀，可進(jìn)行材料的無坩堝熔煉、無鑄型成形與凝固。

同時(shí)，冷卻介質(zhì)與樣件表面直接接觸，增強(qiáng)鑄件固相的冷卻能力，在固液界面附近熔體內(nèi)可以產(chǎn)生很高的溫度梯度(高達(dá)400K/cm)，凝固組織細(xì)化。電磁成形K3高溫合金樣件定向凝固組織的一次枝晶間距達(dá)到80μm。電磁約束成形定向凝固工藝將成為一種很有競爭力的定向凝固技術(shù)。但該技術(shù)涉及電磁流體力學(xué)、冶金、凝固等多學(xué)科領(lǐng)域，目前還處于研究階段。52河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院側(cè)向約束下的定向凝固技術(shù)隨著試樣截面的突然減小，合金凝固組織由發(fā)達(dá)的粗枝狀很快轉(zhuǎn)化為細(xì)的胞狀。隨著凝固的繼續(xù)進(jìn)行，胞晶間距繼續(xù)增加，之后胞晶間距保持基本恒定，凝固進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)，最后當(dāng)試樣截面由小突然增大時(shí)，凝固形態(tài)也由胞狀很快轉(zhuǎn)化為粗枝狀。改變?cè)嚇拥木植坷鋮s條件促使凝固過程發(fā)生變化。53河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院對(duì)流下的定向凝固技術(shù)

在加速旋轉(zhuǎn)過程中造成液相強(qiáng)迫對(duì)流，由于極大的改變熱質(zhì)傳輸過程而引起了界面形貌的顯著變化，導(dǎo)致糊狀區(qū)寬度顯著減小。液相快速流動(dòng)引起界面前沿液相中的溫度梯度極大的提高，非常有利于液相溶質(zhì)的均勻混合和材料的平界面生長，枝晶生長形態(tài)發(fā)生顯著的變化，由原來具有明顯主軸的枝晶變?yōu)闊o明顯主軸的穗狀晶，穗狀晶具有細(xì)密的顯微組織。54河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院重力場作用下的定向凝固技術(shù)微重力下的晶體生長，由于重力加速度減小而有效的抑制了重力造成的無規(guī)則熱質(zhì)對(duì)流，從而獲得溶質(zhì)分布高度均勻的晶體；超重力下的晶體生長，通過增大重力加速度而加強(qiáng)浮力對(duì)流，當(dāng)浮力對(duì)流增強(qiáng)到一定程度時(shí)，就轉(zhuǎn)化為層流狀態(tài)，即重新層流化，同樣抑制了無規(guī)則的熱質(zhì)對(duì)流。55河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院Insituandreal-timeimagingsynchrotronX-rayimaging56河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院57河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院tertbutylalcohol-watersystem58河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院定向凝固技術(shù)小結(jié)

縱觀定向凝固技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)诓粩嗟靥岣邷囟忍荻?、生長速度和冷卻速度,以得到性能更好的材料。溫度梯度無疑是其中的關(guān)鍵,提高固液界面前沿的溫度梯度有以下途徑:①縮短液體最高溫度處到冷卻劑位置的距離;②增加冷卻強(qiáng)度和降低冷卻介質(zhì)的溫度;③提高液態(tài)金屬的最高溫度。隨著試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步,新的定向凝固技術(shù)必將滿足不同合金的特性。目前新興的凝固技術(shù)如冷坩堝定向凝固技術(shù)、軟接觸陶瓷殼定向凝固技術(shù)、雙頻電磁約束成形定向凝固技術(shù)等,這些無坩堝熔煉、無鑄型、無污染的定向凝固成形技術(shù)會(huì)成為未來發(fā)展的焦點(diǎn),在未來的發(fā)展中會(huì)日漸成熟。原位實(shí)時(shí)觀察技術(shù)為直觀的觀測(cè)凝固過程提供了有效的手段。59河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院圖定向結(jié)晶裝置原理圖60河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院【應(yīng)用三】單晶體的制備單晶體就是由一個(gè)晶粒組成的晶體。單晶硅、鍺是制造大規(guī)模集成電路的基本材料。近百種氧化物單晶體如TeO2，TiO2，LiTiO3，LiTaO3，PbGeO3，KNbO3等可用于制造磁記錄、磁貯存原件、光記憶、光隔離、光變調(diào)等光學(xué)和光電元件和制造紅外檢測(cè)。目前，單晶材料已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)及光通訊技術(shù)、紅外遙感技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的材料。制取單晶體的基本原理就是保證液體結(jié)晶時(shí)只形成一個(gè)