第一章 凝固科学技术与材料发展PPT.pptVIP

WUST 武汉科技大学 金属凝固理论 主要参考资料 1）李言祥. 材料加工原理，清华大学出版社，2005.10 2）胡汉启. 金属凝固原理. 机械工业出版社，1991.5 3）柳百成. 21世纪的材料成形加工技术与科学.机械工业出版社，2004.3 1 凝固科学技术与材料发展 本章主要内容 一.了解凝固的特点 二.了解凝固科学形成的标志性成果 三. 了解凝固科学技术与材料发展的关系 本章主要内容 一.了解凝固的特点 1.1 凝固的特点及凝固技术的发展 1.1.1 凝固的特点 凝固：液体转变为固体的过程。是一种极为普遍的物理现象。几乎一切金属制品在其生产流程中都要经历一次或多次的凝固过程. 凝固与结晶（一次结晶）的区别：凝固是一种状态的转变，结晶不仅状态改变，而且发生晶体的析出。通常是指晶体材料的凝固。 1.1.2 凝固技术的发展 一、凝固工艺的发展 从铸冶工艺（不控制）→常规可控凝固（加冷铁、冒口，提高铸件致密性）→定向凝固（改变组织形态，如单晶）→快速凝固（形成非晶）→空间凝固（无重力、无偏析）→超常凝固（高压凝固，改变材料的熔点）； 二、凝固材料体系的发展 从结构材料→功能材料→结构功能材料； 从金属（合金）→金属间化合物→金属基复合材料→金属/非金属复合材料； 从多晶→单晶→微晶→非晶。 1.2 凝固科学的形成 20世纪40年代前，无公认的凝固理论。下列 凝固理论推动了凝固学科的发展。 一、液固相变形核理论 20世纪40-50年代，Turnbull和Fisher在经典形 核理论基础上，建立了液固相变形核理论。指 出晶核形成速率I是温度、临界晶核形成功ΔGc 和原子液固相变激活能ΔGb的函数。 I=A· exp（-ΔGb/Kt）· exp（-ΔGc/Kt） 二、成分过冷理论 1953年哈佛大学教授Chalmers及其合作者对 金属凝固中液固界面形态的仔细考察，提出 界面稳定性概念和成分过冷理论，并导出了 著名的成分过冷判据： G-温度梯度，V-凝固速率，公 式左边为可以调整的工艺参数。 公式右边为材料自身性质。 三、界面稳定性线性动力学理论 1964年Mullins和Sekerka将流体动力学方法及干扰技术应用于凝固中的界面稳定性问题，提出了界面稳定性的线性动力学理论。 ——振幅随时间的变化率 ——振动频率 ——表面张力常数 ——液相线斜率 ——凝固速度 ——液相中的温度梯度 ——溶质的浓度梯度 ——溶质在液相中的扩散系数 M-S理论是成分过冷理论的更一般形式。当V很小 时，M-S理论回到成分过冷理论。 四、共晶生长理论 1966年Jackson和Hunt对正常共晶的偶合生长作了 定量描述，提出了J-H模型。该模型通过求解稳定 扩散场方程，得到界面过冷度与共晶间距的关系。 ——过冷度 ——常数 ——共晶片间距 五、快速凝固晶体生长理论 快速凝固的主要特征：界面局部平衡的假设不成立， 液相线斜率、扩散系数、溶质分配系数均是生长速 率的函数。瑞士学者Kurz和Trivedi综合平界面理论、 枝晶尖端稳定性理论及快速凝固溶质陷落理论，建 立了一个描述从枝晶再到平界面绝对稳定区内的界 面形态演化规律及快速定向凝固下尖端半径与生长 速度关系的KGT模型。 1.3 凝固科学技术与材料发展 1.3.1 凝固科学与凝固加工的研究内容 凝固科学： 应用数学、物理、化学、工程学研究凝固过程的形核、生长、传热、传质，结构演化等； 凝固加工： 应用凝固科学理论进行结构控制（宏观组织如：晶粒 形态及尺寸；微观组织；组织均匀性、致密性；晶体 缺陷；加工缺陷如气孔、夹杂等。）从而达到控形（ 近终形、表面完整性、尺寸精度）和控性（力学、物 理、化学性能） 1.3.2 凝固理论促进材料发展 一、优质铸件凝固 优质铸件凝固加工的发展目标是：净/近净成形—精确 控形；组织结构控制—精确控构； 优质铸件凝固加工的发展趋势 1）采用新的凝固加工工艺如：挤压铸造、半固态铸造、连续铸轧等 2）精确控制凝固过程，纯净化、细晶化、均质化 3）凝固加工过程的模拟仿真 二、定向凝固 在凝固过程中，如果单向散热，有较大的温度梯度， 则新晶核的形成将受到限制，晶体便以柱状晶生长， 这就是定向凝固。 定向凝固组织 目前实用化或研究较多的定向凝固有 1)、单晶叶片的定向凝固 定向单晶叶片消除了晶界，晶体沿[001]特定方向 生长，提高了初熔温度和固溶温度，使得高温性 能大幅度提高 2）晶向择优控制的定向凝固 针对各向异性的金属间化合物，特别是其最佳性 能方向与晶体择优生长方向不一致的材料 * * (2a2+ab+b2)/(6a+4b)