第三章凝固

第三章定向凝固技术3.1定向凝固技术概论定向凝固技术是上世纪60年代，为了消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能，而首先提出的。

目前，定向凝固技术被广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备。

定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶组织的铸件。

利用定向凝固技术制备的航空领域的高温合金发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，它使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。

对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。

用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。

定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流方向相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。

热流的控制是定向凝固技术中的重要环节，获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。

伴随着对热流控制技术的发展，定向凝固技术由最初的发热剂法(EP法)、功率降低法(PD法)发展到目前广泛应用的高速凝固法(HRS法)、液态金属冷却法(LMC法)何连续定向凝固法。

3.2 定向凝固的理论基础定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，定向凝固技术的发展直接推动了凝固理论的发展。

从Chalmers等的成分过冷到Mullins的界面绝对稳定动力学理论，人们对凝固过程有了更深刻的认识。

在定向凝固过程中，随着凝固速度的增加，固液界面的形态由低速生长平面晶→胞晶→枝晶→细胞晶→高速生长的平面晶变化。

无论是那一种固液界面形态，保持固液界面的稳定性对材料的制备和材料的力学性能非常重要。

因此固液界面稳定性是凝固过程中一个非常重要的科学问答题。

低速生长的平面晶固液界面稳定性可以用成分过冷理论来判定，高速生长的平面晶固液界面稳定性可以用绝对稳定理论来判定。

第三章铸坯凝固组织凝固组织包括两个方面：（1）宏观组织：指用肉眼观察到的铸坯内部的组织情况，通常包括晶粒的形态、大小、取向和分布等情况。

也就是针对铸坯的宏观状态而言也称为“凝固结构”、“低倍组织”和“低倍结构”。

（2）显微组织：是指借助于显微镜观察到的晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶以及枝晶间距等。

也就是针对铸坯的微观形态而言。

也称为“金相组织”、“微观组织”。

两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关，并对铸坯的各项性能，特别是机械性能产生强烈的影响。

第二章讨论了晶粒微观组织的形成过程，本章侧重于分析铸坯宏观组织的成因以及各种因素的影响。

在理论分析基础上，总结生产中控制铸坯结晶组织的各种有效方法。

第一节铸坯的凝固区域一．铸坯凝固的特点（1）钢属于一种合金。

钢液与纯金属的凝固特征的区别在于：①纯金属是在一个固定温度下完成凝固。

在定向凝固时，凝固前沿无过冷，凝固前沿或凝固区域为一个等温平面。

②钢是铁碳合金，钢液凝固是在一定的温度范围内完成的。

由于溶质再分配产生成分过冷，以树枝晶生长方式完成凝固。

即凝固发生在一定范围内，而不再位于一个平面内。

（2）冷却强度高：与铸造和模注工艺相比，连铸采用了强制冷却方式，冷却强度高。

即使在空冷区，铸坯的冷却强度也大于砂模铸造和模注。

（3）定向传热：在凝固过程中，采取铸坯表面冷却，从而形成了由内部向表面的定向传热方式。

从钢液内部到坯壳表面温度逐渐降低，即铸坯内外存在较大的温度梯度G。

二．凝固区域从宏观来看，定向传热使铸坯内部存在温度梯度，而合金性质决定了凝固是在一定温度范围内完成，因此铸坯在凝固过程中会存在三个区域：固相区、两相区和液相区。

如图3－18所示。

左图是平衡相图，钢液的结晶温度范围为S L T T -。

右图是正在凝固的铸坯断面，厚度为D 。

（1） 固相区：铸坯表层区域，其温度低于固相线温度S T 而成为固态，即凝固坯壳。

（2） 液相区：中心温度仍在液相线L T 以上而仍为液态钢水，即液芯；（3） 两相区：在固相区和液相区之间，温度处于液相线L T 和固相线S T 之间，呈固液共存。

第三章第2节熔化和凝固认识熔化与凝固一、考点突破[来源:Z。

xx。

k ]1. 明白物质的固态和液态之间是能够转化的，明白熔化和凝固的概念。

2. 能够区分生活、生产中的熔化与凝固现象。

3. 明白晶体和非晶体的区别。

4. 明白物质的状态与熔点（凝固点）的关系。

二、重难点提示重点：能够辨别熔化与凝固现象及相伴着的吸、放热过程。

难点：晶体与非晶体的异同点。

三、考点精讲一、熔化和凝固（重点）1. 熔化：物质由固态变为液态的过程叫做熔化。

如冰变为水，由固态变为液态属于熔化现象。

2. 凝固：物质由液态变为固态的过程叫做凝固。

如水结成冰，由液态变为固态属于凝固现象。

【归纳·整理】熔化和凝固是发生在固态和液态之间的物态变化过程，判定物态变化是否属于熔化和凝固，关键是看物质是由固态变液体，依旧由液态变固态。

熔化和凝固是两个相反的物态变化过程。

【课堂练习】下列自然现象中，属于熔化现象的是（）A. 春天，河里的冰化成水B. 夏天清晨，花草叶子上花附着的露水C. 秋天清晨，覆盖大地的雾D. 冬天，空中纷飞的雪花思路分析：要判定物态变化是否属于熔化，关键要看物质是不是从固态变为液态。

选项A冰化成水，由固态变为液态，属于熔化现象；选项B 露水不是由固态的冰变成的；选项C雾也不是由固态的冰变成的；选项D 雪是固态，不是液态，因此本题应选A。

答案：A二、晶体和非晶体1. 固体分为晶体和非晶体两大类（1）晶体：通过实验探究固体熔化时温度的变化规律，发觉有些固体在熔化过程中尽管不断吸热，温度却保持不变。

这类固体有确定的熔化温度，我们把这类固体叫做晶体。

晶体分子的排列是整齐的、有规则的，冰、食盐、石墨、金属等差不多上晶体。

（2）非晶体：有些固体在熔化过程中，只要不断地吸热，温度就不断上升，没有固定的熔化温度。

这类固体没有确定的熔化温度，我们把这类固体叫做非晶体。

非晶体分子的排列是杂乱无章的。

石蜡、松香、玻璃、沥青等差不多上非晶体。

第2节熔化和凝固一、物态变化物质通常有三种状态，即固态、液态和气态。

如冰、水和水蒸气就是水这种物质的三种状态。

物质在各种状态间的变化叫做物态变化。

二、熔化和凝固1、熔化：物体从固态变成液态的过程叫熔化。

2、凝固：物质从液态变成固态的过程叫凝固。

三、熔点和凝固点1、晶体：在熔化过程中，尽管不断吸热，温度却保持不变的固体叫做晶体。

2、非晶体：在熔化过程中，只在不断吸热，温度就不断上升的固体叫做非晶体。

3、常见的晶体和非晶体[1]、常见的晶体：海波、冰、石英水晶、食盐、明矾、萘、各种金属等等；[2]、非晶体物质：松香、石蜡玻璃、沥青、蜂蜡等等。

4、熔点：晶体熔化时的固定温度叫做熔点。

非晶体没有确定的熔点。

5、晶体和非晶体的熔化图象[熔化吸热][1]、晶体熔化图像：熔化特点：固液共存，吸热，温度不变熔化的条件：（1）达到熔点。

（2）继续吸热。

[2]、非晶体熔化图像：熔化特点：不断吸热，先变软变稀，最后变为液态温度不断上升。

6、液体凝固[凝固放热][1]、凝固点：液体凝固形成晶体时的固定温度叫做凝固点。

[2]、同一晶体的熔点和凝固点是相同的。

非晶体没有确定的凝固点。

[3]、液体凝固形成晶体的图象凝固特点：固液共存，放热，温度不变凝固的条件：⑴达到凝固点。

⑵继续放热。

【两个条件缺一不可！】[4]、液体凝固形成非晶体的图象凝固特点：放热，逐渐变稠、变黏、变硬、最后成固体，温度不断降低。

[拓展]在晶体中加入其他物质时，晶体的熔点（或凝固点）会发生变化（一般会降低）。

比如冬天常在结冰的路面上撒盐来降低冰雪的熔点，从而加速除冰过程。

【典型例题】类型一、熔化和凝固现象1.下列自然现象中，通过熔化形成的是（）Ａ.春天河里的冰雪化成了水Ｂ.夏天清晨，花叶上的露水Ｃ.秋天，笼罩大地的雾Ｄ.冬天空中纷飞的雪花【思路点拨】辨别物态变化，首先确定物体开始的状态（固、液、气），物体最后的状态（固、液、气），然后根据物体变化的名称来判断。