《熔化與凝固》課件

熔化與凝固目錄熔化與凝固的概念熔化的定義熔化的條件熔化過程凝固過程凝固的定義凝固的條件凝固過程中的相變凝固組織與性能晶粒的形成與生長凝固缺陷時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變曲線合金的凝固鐵碳合金的凝固鑄鐵與鋼的凝固組織與凝固組織相關(guān)的性能什么是熔化與凝固熔化和凝固是物質(zhì)兩種常見的物理變化，兩者互為逆過程。熔化是指物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程，而凝固則是指物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。熔化的概念物質(zhì)狀態(tài)變化熔化是物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程。溫度升高當(dāng)固體物質(zhì)的溫度升高到一定程度時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部的粒子運(yùn)動(dòng)加劇，克服了固體之間的相互作用力，從而使固體熔化。熔點(diǎn)在一定壓力下，固體開始熔化的溫度稱為熔點(diǎn)。熔化的條件溫度物質(zhì)達(dá)到其熔點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生熔化。壓強(qiáng)在一定壓力下，物質(zhì)的熔點(diǎn)會(huì)有所變化。金屬的熔化過程1加熱提供能量2熔化固態(tài)變液態(tài)3溫度升高繼續(xù)吸收能量熔化熱定義物質(zhì)在熔點(diǎn)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)所吸收的熱量。單位焦耳/克或卡路里/克。影響因素物質(zhì)的種類、壓力和熔點(diǎn)。金屬的凝固過程熔融金屬冷卻隨著溫度下降，金屬原子動(dòng)能降低，吸引力逐漸增強(qiáng)。原子開始聚集原子之間開始形成微小的晶核，并逐漸長大。晶粒相互碰撞晶核不斷長大，彼此相遇并形成晶界。金屬完全凝固當(dāng)所有熔融金屬都凝固成固體時(shí)，凝固過程完成。凝固的概念從液態(tài)到固態(tài)凝固是指物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。原子排列在凝固過程中，物質(zhì)的原子或分子從無序的液體狀態(tài)排列成有序的固體結(jié)構(gòu)。熱能釋放凝固過程伴隨著熱能的釋放，因?yàn)槲镔|(zhì)從高能量的液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芰康墓腆w狀態(tài)。凝固的條件溫度降低當(dāng)熔融金屬的溫度降低到其凝固點(diǎn)以下時(shí)，金屬開始凝固。晶核形成熔融金屬中的原子必須排列成有序的晶體結(jié)構(gòu)，形成晶核。晶粒生長晶核逐漸長大，并最終連接在一起形成固態(tài)金屬。凝固過程中的相變1液態(tài)物質(zhì)處于無序狀態(tài)，原子或分子能夠自由運(yùn)動(dòng)2固態(tài)物質(zhì)處于有序狀態(tài)，原子或分子排列整齊3相變物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程凝固方式結(jié)晶凝固熔化的金屬通過結(jié)晶過程冷卻固化。結(jié)晶凝固是金屬凝固的主要方式。它從熔體中析出晶體，并在冷卻過程中形成固態(tài)結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)凝固金屬熔體冷卻時(shí)不形成晶體，而是以非晶態(tài)固化，也稱為玻璃態(tài)或無定形態(tài)。非晶態(tài)金屬具有獨(dú)特的性能，例如高強(qiáng)度和耐腐蝕性。鑄件的凝固過程1形核熔體中的原子開始聚集形成固體晶核，這是凝固過程的第一步。2晶粒生長晶核不斷長大，并相互接觸，形成晶粒。3晶界形成當(dāng)晶粒生長到一定程度，它們會(huì)相互接觸，形成晶界，鑄件的凝固過程完成。晶粒的形成1晶核形成當(dāng)熔體冷卻到凝固點(diǎn)以下時(shí)，一些原子開始聚集，形成微小的晶核。這些晶核是未來晶粒的起點(diǎn)。2晶核長大晶核一旦形成，就會(huì)吸引更多的原子加入，從而不斷長大。隨著時(shí)間的推移，這些晶核會(huì)逐漸變成晶粒，形成固態(tài)材料的微觀結(jié)構(gòu)。3晶粒生長隨著熔體進(jìn)一步冷卻，越來越多的晶核形成，并不斷長大，直到最終占據(jù)整個(gè)熔體，完成凝固過程。晶粒生長成核凝固過程中，晶粒開始形成的第一個(gè)階段。晶核長大新形成的晶核逐漸生長，越來越大。晶粒合并當(dāng)晶粒繼續(xù)生長，它們最終會(huì)彼此接觸，形成晶界。晶界的形成1不同晶粒相互接觸2原子排列不連續(xù)性3晶界形成界面晶粒大小的調(diào)控細(xì)化晶粒通過增加晶核數(shù)量，降低凝固速度可以細(xì)化晶粒。粗化晶粒通過減少晶核數(shù)量，提高凝固速度可以粗化晶粒。熱流向?qū)ЯＰ螒B(tài)的影響1方向凝固熱流方向一致時(shí)，晶粒沿?zé)崃鞣较蛏L，形成柱狀晶。2等溫凝固熱流均勻，晶粒呈等軸狀。3影響晶粒形態(tài)影響材料的強(qiáng)度和韌性。凝固缺陷氣孔缺陷氣孔是鑄件內(nèi)部的空洞，可能是由于凝固過程中氣體析出或氣體吸入造成的。收縮孔缺陷收縮孔是鑄件凝固過程中金屬體積收縮形成的空洞，通常發(fā)生在鑄件的厚壁處。晶粒粗大晶粒粗大是指鑄件的晶粒尺寸過大，會(huì)降低材料的強(qiáng)度和塑性。氣孔缺陷氣孔是鑄件內(nèi)部的氣體空洞降低鑄件強(qiáng)度和韌性可能導(dǎo)致漏氣或滲漏收縮孔缺陷收縮力金屬在凝固過程中體積會(huì)發(fā)生收縮，這種收縮力會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部形成空洞。缺陷類型收縮孔可分為內(nèi)部收縮孔和表面收縮孔，內(nèi)部收縮孔難以修復(fù)。影響因素收縮孔的形成與合金的成分、凝固速度、澆注溫度和鑄型結(jié)構(gòu)有關(guān)。晶粒粗大晶粒尺寸過大強(qiáng)度和硬度降低韌性下降，易發(fā)生斷裂晶粒細(xì)小的應(yīng)用強(qiáng)度提升細(xì)小的晶?？梢燥@著提高材料的強(qiáng)度和硬度，這在許多工程應(yīng)用中至關(guān)重要。耐腐蝕性細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)可以有效地阻止腐蝕的發(fā)生和蔓延，延長材料的使用壽命。韌性增強(qiáng)細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)可以提高材料的韌性，使其在承受沖擊載荷時(shí)不易斷裂。晶粒細(xì)小的方法快速冷卻快速冷卻可以減少晶粒生長的時(shí)間，從而使晶粒保持細(xì)小。加入晶粒細(xì)化劑晶粒細(xì)化劑可以抑制晶粒生長，從而使晶粒保持細(xì)小。振動(dòng)振動(dòng)可以促進(jìn)晶核形成，從而增加晶粒數(shù)量，使晶粒細(xì)小。時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變曲線時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變曲線(TTT)圖描述了合金在不同溫度下凝固過程中的相變情況。該曲線有助于預(yù)測(cè)合金在不同冷卻速率下形成的組織結(jié)構(gòu)。例如，在快速冷卻時(shí)，合金可能形成細(xì)小晶粒的組織結(jié)構(gòu)，而在緩慢冷卻時(shí)，則可能形成粗大晶粒的組織結(jié)構(gòu)。鐵碳合金的凝固過程1奧氏體液態(tài)鐵碳合金冷卻至1147℃時(shí)開始析出奧氏體2珠光體繼續(xù)冷卻至727℃時(shí)，奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w3萊氏體過冷度增加，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體鐵碳合金的凝固組織鐵素體鐵素體是鐵碳合金中的一種固溶體，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)。奧氏體奧氏體是鐵碳合金中的一種固溶體，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)。滲碳體滲碳體是一種鐵碳化合物，具有正交晶體結(jié)構(gòu)。鑄鐵的凝固組織石墨鑄鐵中的石墨形態(tài)直接影響其性能?；w基體通常為鐵素體或珠光體，影響鑄鐵的強(qiáng)度和硬度。共晶組織共晶組織由石墨和鐵素體或珠光體組成，影響鑄鐵的韌性。鋼的凝固組織奧氏體在液態(tài)鋼凝固時(shí)，首先形成奧氏體。奧氏體是面心立方結(jié)構(gòu)的固溶體，可以溶解大量的碳。鐵素體隨著溫度的降低，奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。鐵素體是體心立方結(jié)構(gòu)的固溶體，溶解的碳含量很低。珠光體如果鋼中的碳含量較高，則奧氏體會(huì)在降溫過程中轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。珠光體是鐵素體和碳化鐵的層狀混合物。與凝固組織有關(guān)的性能強(qiáng)度晶粒細(xì)化可以提高強(qiáng)度，因?yàn)榧?xì)小的晶粒比粗大的晶粒更能抵抗變形。韌性晶粒細(xì)化可以提高韌性，因?yàn)榧?xì)小的晶粒可以吸收更多的能量，從而延緩斷裂。塑性晶粒細(xì)化可以提高塑性，因?yàn)榧?xì)小的晶?？梢愿?/p>