金属凝固原理课件

•Kurz W, Ficker D J. Foundamentals of
Solidification. Switzweland: Trans Pub.
Ltd,1998 汉译本 《凝固原理》库尔兹和费希尔
•大野笃美著， 邢建东译， 金属的凝固—理论、
实践与应用。
第一章 概 论
中国制造2025 从工业大国到工业强国
第一章 概 论
怎样具有跨界能力？中西教育的差距？不出国 能不能赶上？怎样赶上？
为什么读研？职业规划？人生规划？如何实现？ →为什么活着？怎样活得的更好？我应该在有限的 时间内培养哪些技能？
第一章 概 论
基本思路：人文修养的提升—整体思维、逻辑 思维能力、文字处理能力、搜索能力（搜商）、批 判性的思维。
物理化学、金属学、传热学、传质学、动量传输 学等，在此基础上，阐述液态金属的结构和性质， 晶体的生核及长大，宏观组织及其控制等内容。
研究手段： 实验
数学解析 数值模拟 物理模拟
研究
相变热力学： 相平衡 界面
化学平衡 凝固动力学：
溶质再分配 形核 生长
化学反应 传输现象：
传热 传质 对流
指导
宏观组织（晶粒形态与
第一章 概 论
凝固原理（solidification principle）： 凝固学，本课程以金属为主要研究对 象—金属凝固或液态金属凝固学。
第一节 液态金属凝固学的研究对象
一、研究对象和内容 研究对象：液态金属→固态的过程。 研究内容：是研究液态金属（合金）转变成固态
金属（合金）这一凝固过程的理论及技术，定性地 特别是定量地揭示其内在联系和规律，发现新现象， 探求未知参数，开拓新的凝固技术和工艺。 二、液态金属凝固学的理论基础
大型铸件：10-3~10-2℃/S 普通铸件：10-3~102℃/S 普通雾化工艺生产金属粉末：103 ℃/S 快速雾化工艺生产金属粉末：104 ℃/S 雾化沉积、单辊法、激光表面重熔（快速凝固RS）
106~109 ℃/S
六、凝固原理地位和作用
六、凝固原理地位和作用
宝马汽车发动机
载人飞船
嫦娥一号飞行云迹实拍图
第一章 概 论
中国制造2025 从工业大国到工业强国
第一章 概 论
先进材料是关键支撑：金属材料、无机非金属 材料、高分子材料。
凝固：局限于金属材料？
第一章 概 论
凝固（solidification）：液态向固态的相变 过程。
凝固：凝聚、凝结、固结 一种极为普遍的物理现象，广泛存在于自 然界和工程技术领域。 例：水→冰 火山熔岩→固化 高分子材料成形过程中是否也存在？ 水泥的凝固过程？粉末冶金过程？ 与结晶的区别与联系？
3、通过大量的实验研究，Chalmers及大野笃美等人 提出“激冷等轴晶游离”理论，Jackson、Southi等 人提出“枝晶熔断”及“结晶雨”理论，以此为指 导可有效控制结晶过程和凝固组织。在这些理论的 基础上，机械及超声波振动、机械及电磁液相搅拌、 孕育处理、变质处理等技术得以发展与推广并仍在 不断改进及完善。
4、最近20年 ①极端条件下SP的研究（如RS、超重力、微重力、超高
压）。
②计算机，凝固过程模拟和凝固过程控制。
我国铸造技术的发展
1.古代铸造技术成就 商周陶范铸造: 陶范制作在商周时期已非常精细，并皆有面
料、背料之分，可铸造剑和编钟。
战国《考式记》：记载六种锡青铜的配比，称为“六齐”， 说明该时期对锡青铜成分与组织、性能的关系已有规律性的 认识。
但是，美国的经验告诉我们，任何过分强调发 展第三产业的重要性，而忽视制造业对国民经济健 康发展重要性的作法，都将降低其制造业产品的国 际竞争力。
日本、德国汽车工业的快速崛起，美国制造业 世界霸主地位的丧失和美国汽车在国际市场上竞争 力的下降，使美国政府和专家充分认识到制造业的 重要性，从而提出了一系列先进制造技术的发展战 略，以提高其制造业的技术水平和产品的竞争力。
1
AR 2
A
DL 2
mls( )
3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考 虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶 质再分配方程等理论模型。
4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量 冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概 念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸 造工艺设计的理论依据2 之一。
→凝固层厚度
t k 2 →凝固系数
k 2b2 (Ti T )
1[L c1(T浇 Ts )]
（二）60年代后，研究工作重点放在经典凝固理论的 应用上
1、如钢锭的质量控制，连铸钢锭的电磁搅拌。
2、以提高质量，降低原材料和能源消耗为目标的优 质铸件理论与技术，快速凝固技术，定向 solidifation，半固态铸造在这一时期诞生。
尺寸）
微观组织（亚晶界、枝
晶间距、次生相）
揭示
强化相尺寸、形态及分 布
获得
凝固
多相合金的相结构
过程
组织均匀性
理论 模型
完善
成分均匀性（宏观偏析 与微观偏析） 组织致密性
形状完整性 力学性能 物理性能
要求 化学性能
气孔、夹杂
应力、变形、开裂
晶体结构缺陷
非晶、微晶、纳米晶及
非平衡晶
控制手段： 温度场控制（冷却方式）
GL mlco (1 ko )
R
DLko （只有扩散，无对流）
产生“成分过冷”的判据
2、Jackson Hunt提出了枝晶和共晶合金凝固 过程扩散场的理论解，并在此基础上获得枝 晶及共晶间距与凝固条件（G.R）的关系式， 得到许多实验的支持。
Jackson-Hunt模型下推出共晶片间距λ与凝 固速率R的平方根成反比。
第三节 液态金属（合金）凝固理论 研究的进展
一、古代凝固技术
5000年冶铸技术，前3000年主要是青铜器，后 2000年主要是铁器。
1978年湖北随县出土的编钟，64件8组（2400 年前战国初期铸造的）
明永乐18年（公元1418~1422年）铸造北京大 钟寺的永乐大钟，4.6吨，5.84×3.3(内2.9)m
二、现代凝固技术
（一）上世纪50—60年代，经典凝固理论诞生时期
1、在一代大师B.Chalmers（多伦多大学）的指
导下，Tiller Jackson和Rutter于50年代初期在对 凝固界面附近溶质分布求解的基础上提出了著名 的成分过冷理论，首次将传质和传热因素耦合起 来分析凝固过程组织形态问题。
“王冠上的明珠” 航空发动机是航空航 天器的核心部件，其发展水平已成为一个国 家科技水平、军事实力和综合国力的重要标 志之一。人类航空史上航空动力技术的每一 次重大革命性进展，无不与凝固技术的突破 和进步相关。
“金融经济”、“网络经济”、“知识经济”等 意识的强烈冲击→传统的金属材料成形加工工业被 看成了“老气横秋”的“夕阳工业”。
雾里看花----怎样看得清清楚楚，明明白白？ 归纳总结，找相同找不同，为什么相同，为什 么不同？
第一章 概 论
学而不思则罔 思而不学则殆
温故而知新
“虽有嘉肴，弗食不知其旨也；虽有至道，弗学不 知其善也。是故学然后知不足，教然后知困。知不 足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰： 教学相长也。 ” --《礼记.学记》
第一章 概 论
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第一章 概 论
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金属凝固原理
第一章 概 论
第四次工业革命→ 2014年德国汉诺威工业 博览会4月7日至11日举行。“工业4.0”概念受 到关注。
早 在 2006 年 ， 联 邦 政 府 《 高 技 术 战 略 2020》 ，即《未来项目—“工业4.0”》。
中国制造2025---十三五规划----中国梦 高度智能化--信息化--对人才的要求--跨界能力
传统失蜡法：湖北、河南近年出土了春秋、战国时期的失蜡 铸件。明代《天工开物》上就有记载失蜡法的工艺过程。
生铁冶炼技术：周朝末年，开始有了铸铁。铁制农具发展很 快。秦汉以后，耕田的农具：锄、鎌、犁、锹等都是铁制品。 生铁的早期发展，为整个中国的钢铁技术发展奠定了基础。
铸铁金属型:铁范：早在战国时期，已用铁范成批铸造农具、 手工工具。
凝固技术已从公认的常规条件下的凝固发展 到超常条件和特殊条件下的凝固（快速凝固、空间 凝固、超高压凝固、深过冷凝固、激光（高能束） 快速熔化凝固等）。
液态成形原材料的丰富、非常规凝固技术的研 发、计算机计算能力的提高以及基础学科新成就在 凝固科学研究中的应用，使人们认识到经典理论的 局限性，并向经典理论提出了挑战。
机械力
物理场：电磁力、超重力、 控制（实践）
微重力 化学方法：晶粒细化、变
质、孕育处理
三、凝固理论与技术研究的重点
1、合金的化学成分是决定凝固组织、成分分布及相 结构形成倾向的首要因素。（单项凝固、多相凝 固）
2、合金成分确定后，凝固组织是由凝固过程的传热、 传质及液体流动决定的。因而，凝固过程的传热、 传质和对流成为凝固理论与技术研究的重点。
20世纪90年代，包括材料加工、成形新技术等 “先进制造技术”被列入美国“国家关键技术计 划”。
德国工业4.0，我国“中国制造2025”。
七、液态凝固理论发展
凝固理论研究核心为“凝固过程中的组织演 变及其控制”, 主要包括形核和生长两方面的内 容。科学、系统研究始于近代。文献记载，最早可 以追溯到1714年，但到20世纪40 年代，一般认 为国内外尚无公认的凝固理论，而只有铸冶工艺。