液态金属的凝固

第4章液态金属(合金)凝固热力学和动力学凝固热力学和动力学的主要任务是研究液态金属（合金）由液态变成固态的热力学和动力学条件。

凝固是体系自由能降低的自发进程，若是仅是如此，问题就简单多了。

凝固进程中各类相的平衡产生了高能态的界面。

如此，凝固进程中体系自由能一方面降低，另一方面又增加，而且阻碍凝固进程的进行。

因此液态金属凝固时，必需克服热力学能障和动力学能障凝固进程才能顺利完成。

凝固的热力学基础金属凝固进程能够用热力学原理来描述。

热力学能够用于判断一个凝固进程是不是可能发生，和发生的程度如何。

而对于凝固进程的判断，一样也是利用热力学状态函数来进行的。

本节主要涉及状态函数的概念、状态函数之间的关系、及自发进程的判据。

为下面学习凝固的形核与生长，创造必要的基础。

状态函数的概念几个重要的热力学术语：体系：具有指明界限与范围的研究对象。

环境：与体系有联系的外界。

状态：体系的物理、化学性质均匀、固按时的总和。

状态函数：与进程无关。

进程：体系发生转变从一个状态到另一个状态的经历。

自发进程：从不平衡自发地移向平衡状态的进程，不可逆进程。

图容器内气体压力做体积功的是以描述金属凝固进程，能够采用热力学函数。

但某些热力学函数，在描述进程转变的状态时，与进程所经历的“历程”有关。

比如功，在纯做体积功时，某容器内的气体由状态1，即该状态下的压力及体积别离为1p ，1V 通过不同的路径，变到状态2，即压力为2p ，体积为2V 的状态。

当路径改变时（图）,虽然，始态与终态系相同，压力所做的体积功pdV W =δ或 ⎰=21)(V V dV V p W必然不同。

还有一类热力学函数，与进程经历的“历程”无关，只与研究体系所处的状态有关。

咱们把这种热力学函数，称为状态函数。

讨论凝固进程常常利用的几个状态函数有：内能 物质体系内部所有质点的动能和势能之和，用U 来表示，w q dU δδ+=。

焓 体系等压进程中热量的转变，用H 来表示，H H H q p ∆=-=12。

连铸坯的凝固原理
连铸坯的凝固原理是指在连续铸造过程中，将液态金属通过连铸机的直接接触传热，使其迅速凝固成为固态坯料。

其凝固原理主要包括以下几个方面：
1. 凝固传热：连铸坯的凝固过程是通过凝固传热实现的。

当液态金属与凝固器壁接触时，通过壁传导热量，将热量从液体中抽取，使其温度下降，从而引起凝固。

凝固过程中，液态金属中的热量逐渐转移到凝固器壁上，使液态金属凝固。

2. 菌晶凝固：连铸坯的凝固过程中形成的是菌晶结构。

在凝固过程中，凝固核的形成与扩展是菌晶凝固的核心。

凝固核的形成主要通过异质核形成机制，即固相杂质在液相中起到导向凝固核形成的作用。

在凝固核形成之后，扩展也是通过液态金属中的固相杂质扩散到凝固界面来实现的。

3. 凝固前区域形态演变：连铸坯凝固前区域是指离开凝固器壁距离较远的区域，此区域的凝固过程是从纯凝固到凝固核形成的过程。

在这个过程中，液态金属的温度逐渐下降，会引起结晶核的形成和繁殖。

在凝固前区域中，由于热量的传导和质量的迁移，形成了柱状晶区。

4. 凝固后区域形态演变：连铸坯凝固后区域是指靠近凝固器壁边界附近的区域，此区域的凝固过程是进一步形成坯料的过程。

在凝固后区域中，凝固核逐渐形成，晶核之间相互连结，最终形成了连续的晶体结构。

连铸坯的凝固原理是液态金属通过传导传热和纯凝固形成晶核，然后通过晶核的繁殖和晶体的连结形成连续的晶体结构，最终实现连铸坯的凝固。

液态金属凝固成形的方法
液态金属凝固成形的方法主要是指铸造成形的工艺过程，它是首先制造一个形状、尺寸与所需零件相应的铸型型腔，然后将液态金属充填入型腔，待其冷却凝固后，而获得零件（称为铸件）的方法，今天，山东伊莱特重工有限公司就跟您一起探讨液态金属凝固成形的方法：
凝固成形的方法很多，根据金属液充填进铸型方法是不同可分为重力铸造（液态金属靠自身重力充填型腔），低压铸造、挤压铸造、压力铸造（液态金属在一定的压力下充填型腔）等。

根据形成铸型材料的不同，可分为一次型（如砂型铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造）及永久型（如金属型铸造）。

对于砂型铸造，根据型砂粘结剂的不同，有粘土砂、树脂砂、水玻璃砂等。

根据造型方法不同有手工造型和机械造型。

此外，对于一些特殊的凝固成形件，还可采用连续铸造（等截面长铸件）、离心铸造（四筒形铸件）、实型铸造、熔模铸造等方法。

希望以上信息对您有所帮助。

金属凝固原理复习大纲绪论1、凝固定义宏观上：物质从液态转变成固态的过程.微观上：激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程。

2、液态金属凝固的实质:原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程液态金属的结构特征:“近程有序”、“远程无序”组成:液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成3、液态金属的性质：粘度和表面张力粘度的物理意义：单位接触面积，单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力粘度的本质上是原子间的结合力影响液体金属粘度的主要因素是：化学成分、温度和夹杂物表面张力的物理意义：作用于表面单位长度上与表面相切的力,单位N/m影响液体金属表面张力的主要因素是:熔点、温度和溶质元素。

取决于质点间的作用力4、液体结构的特性：近程有序和远程无序晶体：凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。

单晶体：在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体多晶体：大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。

吸附是液体或气体中某种物质在相界面上产生浓度增高或降低的现象。

金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶当向溶液中加入某种溶质后,使溶液表面自由能降低，并且表面层溶质的浓度大于溶液内部深度，则称该溶质为表面活性物质（或表面活性剂），这样的吸附称为正吸附.反之，如果加入溶质后，使溶液的表面自由能升高,并且表面层的溶质浓度小于液体内部的浓度，则称该溶质为非表面活性物质（或非表面活性剂），这样的吸附为负吸附第一章凝固过程的传热1、凝固过程的传热特点：“一热、二迁、三传”“一热”指热量的传输是第一重要；“二迁”指存在两个界面，即固－液相间界面和金属－铸型间界面。

“三传”指动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维热物理过程。

2、金属型特点：具有很高的导热性能；非金属型铸造特点：与金属相比具有非常小热导率，故凝固速度主要取决于铸型的传热性能。

铸型外表面温度变化不大,故可把铸型看成是半无限厚的。

液态金属加工中的凝固控制是一个重要环节，因为它对产品的质量和性能有着显著的影响。

通过控制凝固过程，可以确保金属材料得到充分凝固，形成良好的组织和性能。

下面将从三个方面详细介绍液态金属加工中的凝固控制。

一、温度控制在液态金属加工中，温度是影响凝固过程的关键因素之一。

为了确保金属材料充分凝固，需要对加工过程中的温度进行精确控制。

通常，通过使用水冷装置或热管理系统来调节和控制温度。

在加工过程中，温度的波动可能会对金属材料的组织和性能产生不利影响。

因此，需要定期检查冷却系统的运行状况，确保其正常工作。

二、速度控制液态金属加工中的速度控制也是至关重要的。

在金属凝固过程中，过快的加工速度可能会导致金属材料变形或产生裂纹。

因此，需要根据金属材料的性质和加工设备的性能，合理设置加工速度。

同时，在加工过程中还需要密切关注金属材料的流动情况，避免过热或过冷现象的发生。

三、冷却速率控制冷却速率是影响金属材料凝固速度和组织结构的重要因素之一。

通过控制冷却速率，可以调整金属材料的凝固过程，使其达到最佳的性能和组织。

在液态金属加工中，通常使用水冷或空气冷却等方式来控制冷却速率。

通过调节冷却水的流量或空气的压力，可以实现对冷却速率的有效控制。

此外，还可以通过调整模具的结构和形状来改变金属材料的凝固过程，以达到最佳的凝固效果。

总之，液态金属加工中的凝固控制是一个综合性的过程，需要从温度、速度和冷却速率等多个方面进行考虑和控制。

通过精确控制这些因素，可以确保金属材料得到充分凝固，形成良好的组织和性能，从而提高产品的质量和性能。

这需要操作人员具备丰富的经验和专业知识，以及对设备和材料的深入了解。

定向凝固技术是一种在液态金属加工中广泛应用的技术，它通过控制金属凝固的方向，从而实现高效、高质量的金属零部件制造。

定向凝固技术不仅提高了金属零件的性能，而且减少了生产过程中的能源消耗和废品率，因此越来越受到工业界的关注。

在液态金属加工中，传统的凝固方法往往是随意凝固，导致金属材料无法充分利用，并且容易导致孔洞、偏析等缺陷。

而定向凝固技术则通过对金属凝固过程的精确控制，使得金属材料能够按照预定的方向进行凝固，从而获得更加均匀、致密的金属组织。

定向凝固技术的核心在于控制金属凝固的速度和方向。

通过控制凝固速度，可以使得金属凝固过程中产生的应力最小化，从而减少金属变形和裂纹的风险。

通过控制凝固方向，可以使得金属材料在特定的方向上获得更高的强度和硬度，从而实现更加高效、高质量的金属零件制造。

定向凝固技术通常采用计算机控制系统来实现。

该系统可以通过传感器实时监测金属凝固过程中的温度、压力、流量等参数，并根据这些参数的变化来调整凝固过程。

此外，计算机控制系统还可以通过模拟软件来预测金属凝固过程中的缺陷和问题，从而提前采取措施进行预防和解决。

在实际应用中，定向凝固技术已经广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。

例如，在航空航天领域中，定向凝固技术可以制造出更加轻量化、高强度的金属零部件，从而提高飞行器的性能和效率。

在汽车领域中，定向凝固技术可以制造出更加耐腐蚀、耐高温的金属零部件，从而提高汽车的安全性和使用寿命。

总之，定向凝固技术是一种高效、高质量的液态金属加工技术，它通过控制金属凝固的速度和方向，从而实现更加均匀、致密的金属组织。

该技术已经在多个领域得到广泛应用，并且具有广阔的发展前景。

随着计算机技术和控制技术的发展，定向凝固技术将会更加成熟和完善，为工业界带来更多的效益和价值。

液态金属凝固曲线的实验心得体会能量起伏：金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏”结构起伏：液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态，时而长大时而变小，时而产生时而消失，此起彼落，犹如在不停顿地游动。

这种结构的瞬息变化称为结构起伏。

浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。

这种成分的不均匀性称为浓度起伏。

熔化潜热:将金属加热到至熔点时，金属体积突然膨胀，等于固态金属从热力学温度零度加热到熔点的总膨胀量，金属的其他性质如电阻，粘性等发生突变，吸收的热能。

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。

成分过冷：由溶质再分配导致的界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷。

热过冷：仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷宏观偏析：又称长程偏析或区域偏析，指较大范围内的化学成分不均匀现象，表现为铸件各部位之间化学成分的差异。

微观偏析：微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。

微观偏析（1）晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。

（2）晶界偏析：溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界，使晶界和晶内的化学成分出现差异。

它会降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。

宏观偏析：（1）正常偏析：当合金溶质分配系数k<1时，凝固界面的液相中将有一部分被排出，随着温度的降低，溶质的浓度将逐渐增加，越是后来结晶的固相，溶质浓度越高，当k>1时相反。

正常偏析存在使铸件的性能不均匀，在随后的加工中难以消除。

（2）逆偏析：即k<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部分含溶质较少。

（3）V形偏析和逆V形偏析：常出现在大型铸锭中，一般呈锥形，偏析中含有较高的碳以及硫和磷等杂质。

材料科学基础mooc液态金属凝固的必要条件液态金属凝固是材料科学中的重要研究领域，其在材料制备、工业生产和科学研究中具有广泛应用。

液态金属凝固的过程涉及到许多物理和化学现象，只有在一定的条件下才能顺利进行。

下面我们来了解一下液态金属凝固的必要条件。

1. 温度条件
液态金属凝固的必要条件之一是温度条件，即需要在适宜的温度范围内进行。

一般来说，金属的熔点是液态金属凝固的起点，而凝固温度则取决于金属的成分、纯度和结晶方式等因素。

因此，在实际操作中需要根据具体金属的特性来确定凝固温度范围。

2. 过冷条件
液态金属凝固还需要在过冷条件下进行，即要保持一定的过冷度。

过冷度是指在熔点以下的温度下，液态金属的温度低于其平衡温度。

这种状态下，液态金属的热力学驱动力大于凝固的驱动力，从而促进凝固过程的发生。

3. 成核条件
液态金属凝固的另一个必要条件是成核条件。

成核是指在液态金属中形成稳定的微小结晶核，是凝固过程的起点。

为了促进成核，需要在适当的条件下引入一些成核剂，如微粒、气泡等。

4. 界面条件
液态金属凝固还需要满足一定的界面条件，即需要一个凝固界面来分隔液态金属和固态金属。

界面条件的好坏会直接影响凝固过程的
速度和品质。

以上是液态金属凝固的必要条件，只有这些条件同时满足，才能保证液态金属凝固过程的正常进行，获得优质的固态金属材料。

液态金属的凝固的基本规律嘿，咱今儿来聊聊液态金属凝固的那些事儿呀！你想想看，液态金属就像一群调皮的小孩子，在特定的条件下，它们得乖乖地排好队，变成有规矩的样子，这就是凝固啦！这过程可不简单哦。

就好像我们要把一堆乱跑的小猴子训练成听话的士兵一样。

液态金属里的原子们一开始那可是毫无秩序地乱跑乱撞呢。

但随着温度降低，它们就不能再那么任性啦。

温度这玩意儿可太重要啦！就好比是给这些小调皮们的一道命令，告诉它们该收敛收敛啦。

温度慢慢降下来，原子们活动的范围也越来越小，彼此之间的距离也越来越近。

这不就跟咱人冬天冷了会挤在一起取暖一个道理嘛！它们开始相互吸引，形成一个个小团体。

然后呢，这些小团体就像小积木一样，慢慢堆积起来，形成一定的结构。

这结构可就有讲究啦，不同的液态金属凝固后会有不同的样子哦。

有的可能会形成很规整的晶体结构，亮晶晶的特别好看；有的呢，可能就没那么规整啦，会有点乱糟糟的。

你说这神奇不神奇？就好像是大自然给我们变的一个魔术。

而且哦，凝固的速度也很关键呢！要是凝固得太快，就像我们跑步冲刺一样，可能会出岔子，结构就没那么完美啦。

但要是慢慢悠悠地凝固，说不定就能形成特别漂亮的形态。

咱再打个比方，这液态金属凝固就像是盖房子。

得先有个规划，然后一砖一瓦地盖起来。

要是盖得太快，墙可能就歪了；要是盖得太慢，又耽误时间。

还有啊，外界环境也会对液态金属凝固有影响呢。

就像我们人会受周围环境影响心情一样。

比如压力呀，如果压力大了，液态金属凝固的方式可能也会不一样。

所以啊，研究液态金属凝固的基本规律可太重要啦！这能让我们更好地利用这些金属呀。

我们可以根据需要，控制温度、速度、压力这些因素，让液态金属变成我们想要的样子。

你说这是不是很有意思？这就是科学的魅力呀，能让我们了解这些神奇的现象背后的道理。

我们可以通过掌握这些规律，创造出更多有用的东西。

液态金属的凝固，看似简单，实则蕴含着无穷的奥秘和乐趣呢！它就像一个等待我们去探索的神秘世界，充满了惊喜和可能。