凝固理论

凝固理论复习1、晶体是指原子呈规则排列的固体2、非晶体是指原子呈不规则排列的固体3、晶格：用假象的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间构架。

直线的交点（原子中心）称为结点，由结点形成的空间点的阵列称为空间点阵。

4、晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元5、常见的纯金属的晶格类型有：体心立方（bcc）body centered cubic面心立方（fcc）face centered cubic 密排六方（hcp）close-packed hexagonallattie6、单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体7、晶粒：实质使用的金属材料是由许多的彼此方位不同，外形不规则的小晶体组成，这些小晶粒称为晶粒。

8、晶格的不完整部位称为晶体缺陷。

9、晶界的特点：1）原子排列不规则2）熔点低3）耐腐蚀性差4）易产生内吸附，外来原子在晶界要偏聚5）阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用金属力求获得细晶粒6）是相变优先形核部位10、所谓相是指金属或合金中成分相同结构相同，并与其它部分由界面分开的均匀组成部分。

11、合金是由两种或两种以上的金属元素或非金属元素组成的具有金属特性的物质。

12、显微组织是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合13、物质由液态转变为固态称为凝固14、物质由液态转变为晶态称为结晶15、物质由一个相转变为另一个相称为相变，结晶过程为相变过程16、冷却曲线（cooling curve）金属结晶时温度和时间的关系曲线，曲线上水平的阶段所对应的温度称为实际结晶温度T1曲线上水平阶段是由于结晶时放出的结晶潜热（crystallization latent heat ）引起的17、液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称为过冷现象18、形核有两种方式：均匀形核和非均匀形核由液体中排列规则的原子团形成的晶核称为均匀形核以液体中存在的固态杂质为核心形核称为均匀的形核，非均匀形核更普遍19、晶核的长大方式有两种：均匀长大和树枝状长大20、液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，他们时聚时散称为晶坯；在T0以下经过一段时间后（孕育期），一些大尺寸得得晶坯将会长大，称为晶核。

１非平衡凝固过程与凝固组织1.1 非平衡凝固过程1.1.1 凝固的基本概念凝固是从液态变为固态，属于一级相变，它伴随着三个重要的现象产生：（1）固液街面上结晶潜热的放出；（2）固液界面上的溶质在分配；（3）热量的传输。

这些现象决定了凝固过程是一个十分复杂的过程，是一门集物理学、数学、流体力学、物理化学、材料科学、传热学、传质学于一体的交叉学科，历史上，每次凝固理论的突破对新材料、新工艺的产生起着十分重要的作用，如半导体硅材料在现代信息化中扮演着重要角色，也是下一代清洁能源材料——太阳能电池的主要材料，航空、航天用的铝合金、镁合金、钛合金材料和发动机用的高温合金材料，现代高性能钢铁材料等。

凝固理论是新材料、新工艺产生的基础和源头，它的涉及面很广，包括：金属及其合金的凝固，有机物的凝固，生物蛋白质的凝固，无机物的晶体生长等。

凝固过程中系统的划分研究凝固过程时，首先要确定凝固的对象，不同的对象要采用不同的方法来研究，如果把凝固的工件作为整体来研究，这个体系与外界只有能量的交换，没有物质的交换；如果以固液界面为分界线，以凝固的部分为固体，未凝固的部分为液体或熔体，这样在固液界面上固体与液体之间既有能量的交换，也有物质的交换，此体系为开放体系。

如果固体周围的液体温度高于其熔点，固体首先在型壁上形核，沿垂直于型壁的方向生长，热量的传输方向与凝固生长的方向相反，所得的组织一般是柱状晶，包括柱状胞晶如图1.1（a ）所示，和柱状枝晶如图1.1（b ）所示，具有定向凝固的特点，称其为定向凝固。

如果固体周围的液体温度低于其熔点，固体首先在熔体中形核，并沿四周方向生长，所得组织为等轴晶，如果各分支为胞晶，则组织为等轴胞晶，如图1.1（c ）所示，如果各分支为枝晶，则称为等轴枝晶，如图1.1（d ）所示。

1.1.2 平衡态和非平衡态在一个孤立系统中，初始时刻各部分的热力学参量可能具有不同的值，这些参量会随时间变化，最终将达到一种不变的状态，这种状态叫平衡态，平衡态的严格决定义为：在没有外界影响下，系统内各部分长时间不发生任何变化的状态。

金属凝固理论原理及应用金属凝固理论是指研究金属在固态凝固过程中的组织形态和相变行为的科学原理。

金属凝固理论的研究可以帮助我们了解金属的凝固机理以及改变金属的性质和应用。

以下将从原理和应用两个方面进行详细阐述。

一、金属凝固理论的原理：1. 凝固过程中的相变行为：在金属凝固过程中，会发生相变行为，从液相变为固相。

主要包括凝固核形成、晶体长大及晶粒形核和生长等过程。

凝固核形成是指凝固过程中由于界面能降低而导致固相形成的过程。

晶体长大是指固相晶体的体积逐渐增大。

晶粒形核和生长是指液相金属晶粒在凝固过程中通过固相组织的转变形成新的晶粒。

2. 凝固速率的影响因素：凝固速率是凝固过程中晶体生长速度的量度。

影响凝固速率的因素包括金属的熔点、凝固液体的过冷度、核活化能、晶体生长速度以及固相晶粒形核密度等。

通过调节这些因素，可以改变金属凝固的速率和组织形态，从而影响金属的性质和应用。

3. 相图和凝固曲线的研究：金属凝固过程中，可以通过相图和凝固曲线来了解金属凝固过程中的相变行为和组织形态演化。

相图可以显示凝固温度、成分和组织形态之间的关系，而凝固曲线可以用来研究凝固速率和金属的晶体生长速度。

二、金属凝固理论的应用：1. 金属材料制备：金属凝固理论可以帮助我们了解金属材料制备过程中的相变行为和组织演化规律。

在铸造和凝固过程中，通过调节凝固速率和组织形态，可以获得不同性能和应用要求的金属材料。

例如，通过改变凝固速率可以获得细晶粒或均匀晶粒分布的材料，从而提高材料的强度和韧性。

2. 改善金属材料性能：金属凝固理论的研究可以帮助我们改善金属材料的性能。

例如，通过合适的添加剂和凝固工艺，可以改善金属材料的耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定性等性能。

同时，金属凝固理论也可以指导材料加工过程中的热处理和冷处理，从而进一步提高金属材料的性能。

3. 金属合金设计：金属凝固理论是金属合金设计的重要基础。

通过研究金属合金的凝固机制和相图，可以合理地选择合金元素和调整合金成分，以达到特定的性能和应用要求。

第十一章凝固理论基础11．1 引言凝固是液态金属转变为固态金属的过程，凝固产品可以是铸件、铸锭。

从微观上看，凝固是金属原子由无序到有序的转变，从宏观上看，它是把液态金属中贮藏的显热和凝固潜热传输到外界，使液态金属转变为有固定形状的固态。

理论和实践均表明，金属材料的性能一方面取决于金属的化学成份及纯净度，另一方面取决于其组织结构。

其中化学成份及纯净度，由冶炼过程控制，组织结构则取决于凝固过程的控制，凝固所发过程所发生的物理化学变化将直接关系到金属铸件或锭、坯的质量，并进一步影响到最终产品的质量和生产成本。

由于凝固控制的独特地位，所以一直受到冶金工作者的高度重视，加强凝固过程的控制已成为金属材料制备的一个重要方面。

11．2 纯金属的凝固纯金属是我们所研究的凝固过程最简单的情况。

由于纯金属具有单一成份，因而不论在秤和非平衡情况下都不会出现溶质的偏析。

一、 纯金属凝固过程的温度变化图11-1纯金属凝固过程的温度变化如图11-1所示。

可以看出，凝固过程将由四个阶段组成：（1） 金属液体的冷却降温阶段。

在这个阶段，过热的液态合金释放出液态的显热，温度逐渐降低。

181（2） 形核阶段。

根据物理化学理论，凝固的形核过程要求有一定的过冷度。

特别是对均质形核，要求有较大的过冷度，因而温度将会降低到凝固温度以下；（3） 晶核的长大。

稳定的晶核形成以后，将会持续长大，不断释放出凝固潜热，这时温度将会回复到凝固温度；（4） 完全凝固后金属降温。

高温固态金属逐步释放显热，向常温过渡。

二、 温度梯度的影响相图表示的凝固过程在是一个理想的平衡凝固过程，在凝固温度时，温度将保持不变直到金属完全凝固。

实际凝固过程是非平衡过程，在金属内部的热量要求向外传输的过程中，要求有一定的温度梯度。

晶体要长大，则界面温度必须低于凝固温度。

界面上的过冷度提供了使界面向液相方向推移的驱动力，使凝固得以持续进行。

在界面的过冷度越大，则晶体长大的驱动力越大。

1.平衡态与非平衡态各有什么特点？重要的热力学状态函数有哪些？2.简述相变的分类、局域平衡假设及Onsager倒易关系。

3.凝固过程的应用目标是什么？其研究手段和研究内容有哪些？凝固过程的理论研究经历了哪几个阶段？4.凝固过程的传热还有什么特点？自然对流的驱动力是什么？对流对金属凝固前沿有什么影响?5.计算溶质平衡分配系数可用什么方法？在非平衡凝固条件下凝固相界面成分是如何变化的？6.综述均匀形核与非均匀形核、同一液相界面的结构、晶体的长大及其特点一、平衡态与非平衡态各有什么特点？重要的热力学状态函数有哪些？答：平衡态的特点：温度、成分及压力都是均匀的，具有动态平衡的特点，实质是指两种或两种以上的相彼此变化的速率相等。

从热力学来讲，系统的自由能最低；非平衡态的特点：一旦改变处于平衡态系统的外界条件时，系统的平衡态就会遭到破坏，此时系统处于非平衡状态，能量较高。

而在处于非平衡状态的系统经过一定时间后，又会达到新条件下新的平衡态。

重要的热力学状态函数：内能U、焓H、熵S、自由能F和G二、简述相变的分类、局域平衡假设及Onsager倒易关系。

答：①相变的分类：按物质状态划分、从热力学角度划分、按结构变化划分、按相变发生的动力学机制划分；②局域平衡假设：对于总体上为非均匀的热力学非平衡体系，若将其分割成无数个小的区域，则每个小的区域内的性质(如T,p等)可以认为是近乎均匀的。

假设把某小区域与其周围的体系隔离开来，在刚隔离开的时刻t，此小区域仍处于非平衡态，但经过极短时间dt之后，这个小区域内的分子便达到平衡分布，即可认为此区域达到热力学平衡，故可给出此小区域的所有热力学函数，并假定这套热力学量可以用来描述此局域在时刻t的热力学状态。

以上所述即为局域平衡假设。

③Onsager倒易关系：昂色格倒易关系如下式所示：Lkk'=Lk'k上式是线性非平衡态热力学最重要的理论基础。

它表明线性不可逆过程的唯象系数具有对称性。