材料凝固理论

17.1 定向凝固发展历史

7.2 定向凝固基本原理

7.3 定向凝固工艺

7.4 定向凝固应用实例材料合成技术与方法

第七章定向凝固技术

参考材料

1、教材，第五章

2、材料科学基础，潘金生，清华大学

出版社，P487材料合成技术与方法

1、Directional solidification system，DSS，

起源于美国Crystal Systems生长单晶蓝宝石

2、美国GT Solar生产的定向凝固炉

3、1953年，Charlmers等，定量凝固科学里

程碑-成分过冷理论

4、20世纪60年代，航空发动机涡轮叶片

5、理论发展，定向凝固的关键-各种热流在制

备材料时能被及时导出材料合成技术与方法

7.1 定向凝固发展历史

1、定义

2、理论

3、适用范围材料合成技术与方法

7.2 定向凝固基本原理

定向凝固：在凝固过程中采用强制手段，在

凝固金属和凝固熔体中建立起特定的温度

梯度，使熔体沿着与热流方向相反的方向

凝固，获得具有特定取向柱状晶的技术材料合成技术与方法

1、定义

柱状晶等轴晶1）成分过冷理论

2）绝对稳定性理论材料合成技术与方法

2、理论

2（1）提出过程：Charlmers、Tiller等观察到

合金固液界面前沿由于溶质富集，产生成分

过冷，导致平衡界面失稳，形成胞晶和枝

晶，提出成分过冷理论

（2）由于在不平衡凝固时，液相中溶质分布

不均匀，在正的温度梯度下，会引起过冷，

这种由成分不均匀引起的过冷称为成分过

冷。材料合成技术与方法

1）成分过冷理论（3）温度梯度影响：

󰂾正温度梯度（dT/dx>0）：液相的热量和结晶潜

热沿已结晶的固相和模壁散失，液体中心温度

高，因而界面前沿液体的过冷度随离开界面距离

减小而降低，液体内部过热。

平面方式生长，晶体沿温度梯度

的方向，或散热的反方向生长，

其他方向的生长受到抑制材料合成技术与方法

固液→→

󰂾负温度梯度（dT/dx<0）：在极缓慢的冷却条

件，液体内部温度分布均匀，一定过冷度下，液

体中区域形核并长大，放出潜热，使液-固界面

金属凝固理论

第十一章 液态金属的结构和性质

液态金属的结构和性质

1)原子间仍保持较强的结合能2）近程有序排列3）所有原子集团在不停顿地游动4）存在游动“空穴”5）能量起伏 实际金属的液态结构

实际金属在微观上是由成分和结构不同的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成，它是一种\混浊\的液体;而从化学键上看，除了基体金属与其合金元素组成的金属键之外，还存在其它多种类型的化学键。总之都要结合具体对象进行分析. 液态金属的遗传性

液态金属的遗传性是炉料的某些特性，经过熔化浇铸后，所得铸件中也具有这种特性，他主要是指铸件的组织和气孔等缺陷与炉料的组织和缺陷有关。随着液态金属的遗传性研究的广泛和深入，它的概念主要体现在以下几个方面:炉料的组织和缺陷对凝固后铸件或毛坯的组织和缺陷有影响、在液态合金中加入合金元素后，改变了合金中元素与元素之间的相互作用，进而影响凝固后铸件或毛坯的组织、液态金属或合金的结构 (如过冷度、净化程度等)不同对凝固后铸件或毛坯的组织有影响，这些影响液态金属或合金熔体结构进而影响凝固后铸件或毛坯的组织与性能称液态金属或合金的遗传性。

第十二章 液态金属的充型能力 充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。

流动性：液态金属本身的流动能力，称为“流动性”

区别：固定条件下所测得的合金流动性表示合金的充型能力。因此，可以认为合金的流动性是在确定条件下的充型能力。 影响充型能力的因素 第一类因素

金属性质方面的因素

1）金属的密度ρ1； 2）金属的比热容c1； 3）金属的导热系数λ1； 4）金属的结晶潜热 L ； 5）金属的粘度η； 6）金属的表面张力σ； 7）金属的结晶特点 第二类因素

3）铸型的比热容 c2； 4）铸型的导热系数λ2； 5）铸型的温度； 6）铸型的涂料层； 7）铸型的发气性和透气性。

第三章 材料的凝固与结晶

第一节凝固的概念 第二节 金属的结晶和铸锭 第三节 合金的结晶过程

第一节 凝固的概念

目的要求：通过讲授晶体与非晶体的凝固，使学生掌握物质从液态转变为固态所遵循的基本规律．

授课内容：

一， 晶体的结晶

二， 非晶体的结晶

重点：晶体结晶时过冷现象及热力学条件

难点：晶体与非晶体凝固的不同点

教学方法：课堂讲授并结合多媒体演示

讲授重点内容提要

一， 晶体的凝固

物质从液态到固态的转变过程统称为＂凝固＂，如果通过凝固能形成晶体结构，则可称为＂晶体＂．凡纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的＂平衡结晶温度＂（即理论结晶温度Ｔ０），高于此温度（即实际结晶温度Ｔ１）才能进行结晶；两者之差ΔＴ＝Ｔ０－Ｔ１称为过冷度，处于平衡结晶温度时，液体与晶体同时共存，达到可逆平衡．

为什么纯元素的结晶都具有一个严格不变的平衡结晶温度呢？这是因为它们的液体与晶体之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故．这一能量叫做＂自由能（Ｆ）．同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，它们在不同温度下的自由能变化是不同的,如图3-1所示．

由此可见，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论温度，造成液体与晶体间的自由能差：（ΔF=F液－F晶），即具有一定的结晶驱动力才行．

二：非晶体的凝固

若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那就不能称之为结晶，只能称为凝固．

非晶体的凝固与晶体的晶体，都是由液体转化为固体，但本质上又有区别．非晶体的凝固实质上是靠熔体粘滞系数连续加大完成，即非晶体固态可看作粘滞系数很大的＂熔体＂，需在一个温度范围内逐渐完成凝固．

第二节金属的结晶和铸锭

目的要求:通过讲授金属的结晶过程

授课内容:

一:金属的结晶过程

二:金属结晶后的晶粒大小

1:晶粒大小与性能的关系

2:晶粒大小的控制

三:金属铸锭组织

1:表面细晶粒层

2;柱状晶粒层

3:中心等轴晶

凝固理论进展与快速凝固

摘要：本文综述了凝固理论的某些新进展，对高生长速率下的凝固热力学与形核、生长动力学，特别是非平衡溶质分配系数，形核孕育期与相选择，化学成分及熔体热历史对形核机制的影晌，平界面的绝对稳定性，快速的枝晶/胞晶生长以及样品体积内快凝过程的发展等问题给出了定量的表述，文中还指出了对快凝过程进行分析和设计的工作步骤。

关健词：快速凝固，热力学，动力学，形核，晶体生长，相选择

0 前言

在近几十年中，凝固技术的重要进展有：连续铸造的扩大应用；定向凝固与单晶生长技术的完善；半固态(流变)铸造从研究走向了实际应用；通过凝固过程制备重要的新型材料，如复合材料、自生复合材料、梯度材料等；快速凝固技术的出现与应用。快速凝固是通过合金熔体的快速冷却（≥104-106K/s）或非均质形核的被遏制，使合金在很大的过冷度下发生高生长速率（≥1-100cm/s）的凝固，可制备非晶、准晶、微晶和纳米晶合金，此类新型功能或结构材料正在逐步进人工业应用。可见，现代凝固技术的发展不仅致力于获得外形完美、内无宏观缺陷的零件，而且追求在材料中形成常规工艺条件下不可能出现的结构与显微组织特征，使其具备一系列特殊优异的使用性能。从这个意义上说，新凝固技术与新材料的研究和发展已融为一体，最具代表性的例子是快速凝固技术，它的出现和发展直接促进了新一代金属玻璃与微晶、纳米晶合金的形成。

现代凝固技术的研究与应用，迫切要求以液/固相变理论的新成果为指导。在研究对象的尺度上，不局限于宏观的凝固过程的研究，而是要在原子尺度上对移动的液/固界面的行为进行分析。与凝固技术的发展相适应，近年来凝固理论的研究在下列方面取得进展：从传热、传质和固/液界面动力学三个方面对凝固动力学过程给出了不断改进的定量描述；固/液界面形态稳定性理论继续完善，可在低速生长至高速生长的较宽范围内，全面估计界面能、界面曲率、结晶潜热等对晶体形貌及显微结构的影响，提供晶体形态转变的定量判据；大过冷和高生长速率下的凝固热力学和动力学研究不断深入，为合金快速凝固过程的分析和设计提供了依据。