第2章 材料凝固理论1概论

图4
图5
3
砂型铸造合箱后的示意图
冒口
型芯
上箱
直浇道
浇注系统
型腔
下箱 芯头
上箱壁
拔模斜度
型芯 铸件
浇口杯
内浇口
直浇道
砂箱定位销
下箱壁
分型面 芯头
横浇道 型砂
湿砂模横截面示意 4
浇注过程及铸件
5
造型及浇注过程
6
砂型视图
7
芯盒、型芯、木模和铸件
8
凝固：物质从液态到固态的转变过程。
若凝固后的物质为晶体，则称之
发形核和非自发形核两种。
第
三
节
晶
核
的
自发形核
形
成
非自发形核
液相 衬底
固相
22
§2-3 形核
一、自发形核
G Gv Gi GmV LS A
式中： Gm — 单位体积固、液自由能差 V — 晶核体积
LS —固、液界面张力
A — 晶核表面积
当晶核为球形时：
G
4
3
r 3Gm
4
r
2 LS
式中r为球半径
第二章 材料凝固理论
熔化 1
单晶生长理论及技术关系到半导体工业中大规模集成 电路的规模和效益
凝固界面理论关系到人工制备复合材料技术的关键 快速凝固理论关系到金属激光表面重熔和上釉的成败 凝固的一般理论关系到铸件质量和成本优劣
2
砂箱壁
铸造过程示意图
上砂箱
法兰管
图1 型砂
木模
图2 型芯
下砂箱 图3
• 浇注条件：浇注温度、速度、静压头、外力场的影响等 • 零件结构：铸件模数、复杂程度等
10
第
二
第一节 材料结晶的基本规律
章
1 液态材料的结构
第
结构：长程无序而短程有序。
一
特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较
节
小、原子排列较混乱。
结
晶
规
律
11
第
二
第一节 材料结晶的基本规律
章
2 过冷现象 supercooling
28
§2-3 形核
当当
0 0
0时 0时
：：
G * Gh*e
00,,无无过过冷冷下下
即可he 形核。
即可形核。
当当
18 18
0000时时
：：GGh**e
G * Gh*o
,,非非
自自
发发
形核he 不起作ho 用。
形核不起作用。
=00
00<<1800
=1800 29
§2-3 形核
三、形核剂： 能作为形核剂的条件有四点。 1. 失配度小
两个物体最后温度相等
18
第
二
章
Helmholtz自由能最低原理
第
二
FT，V ≤ 0
节
热 力 学 基
等温等容条件下体系的自由能永不增大；自发过程 的方向力图降低体系的自由能；平衡的标志是体系的自 由能为极小。
础
19
第
二
章
Gibbs自由能判据
第
二
GT，p ≤ 0
节
热 力 学 基 础
等温等压条件下，一个只作体积功的体系，其
23
§2-3 形核
G
0
4r2LS
C A B
r D 当r较小时，A>B
当r较大时， C<D
4r3Gm/3
24
§2-3 形核
Gibbs
原子半径与Gibbs自由能的关系 25
§2-3 形核
临界形核功相当于表面能的1/3， 这意味着固、液之间自由能差只能供给 形 成 临 界 晶 核 所 需 表 面 能 的 2/3 ， 其 余 1/3的能量靠能量起伏来补足。
为结晶。
凝固过程影响后续工艺性能、使用性能 和寿命。
凝固是相变过程，可为其它相变的研究 提供基础。
9
凝固成形工艺是完成凝固成形的关键，影响成形工艺的参 数主要可以从以下几方面进行分析：
• 金属性质：成分、凝固特点、密度、比热、导热系数、凝 固潜热、粘度、表面张力等
• 铸型性质：激冷能力、密度、比热、导热系数、温度、强 度、透气性等
第
一
节
结
晶 （1）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。 规 （2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际温度之差。
律
△T=Tm-T (见冷却曲线)
注: 过冷是凝固的必要条件
(凝固过程总是在一定的过冷度下进行)。
12
第
二
第一节 材料结晶的基本规律
章 3 结晶过程
（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）
第 （2）描述结晶进程的两个参数
一 形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。 节 长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间
内迁移的距离。用G表示。
结
晶
规
律
13
第
二
章 一、状态函数 与过程变化无关的热力学函数。
1
第
p
p1，V1
二
节
2
热
力
学
基
3
础
p2，V2
0
V
气体压强和体积关系
14
第
二
章 • 内能（U）：物质体系内部所有质点的动能和势能 之和
第 • 焓（H）：体系等压过程热量的变化 二 • 熵（S）：体系热量与温度的商值，是体系无序程 节 度的量度
热 力
• Gibbs自由能（G）：体系恒温等压下的一种能量
学 基 础
• Helmholtz自由能（F）：体系恒温定容下的一种 能量
（2）足够的温度
晶
（3）合适的晶核表面结构
核
长
大
32
第 二 章 一、固液界面结构
第
粗糙界面：微观粗糙、宏观光滑；
四
将生长成为光滑的树枝；
26
§2-3 形核
二、非自发形核
杨氏方程：
LC CS LS cos cos LC CS
LS
LC CS LS cos cos LC CS
LS
27
§2-3 形核
G* G* f ( ),
he
ho
其中
式中：f ( )
2
3
cosf
(c)os3
1 4
(2
3co
4
f（）是几何因子，仅与几何参量有关。 一般0 ≤ ≤ 180°，故0 ≤ f（） ≤ 1。
Gibbs自由能永不增大；自发过程的方向力图降低体系 的Gibbs自由能；当Gibbs自由能降到极小时，体系达 到平衡。
20
第 二 章
G
G
第
二
节
热
T
GL GS
力
学
0
基
Tm
T
础
分析：T>Tm, T=Tm, T<Tm的情况。凝固的热力学条件是什么？
21
第
二
第三节 晶核的形成
章
指液态金属某些微观区域形成稳定存在小晶核的过程。分为自
式中 ： —晶格点阵适配度
aC —夹杂的原子间距 aN — 晶核的原子间距
30
§2-3 形核
2. 粗糙度值大
不同曲面衬底上形核示意 3. 分散性好 4. 高温稳定性好
31
第
二
第四节 晶核的长大
章 1 晶核长大的条件
（1）动态过冷
第
动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。
四
来自百度文库
（是材料凝固的必要条件）
节
15
第
二
章
二、状态函数间的关系
第
• H=U＋pV
二
• G=H－TS (或dG=dH－TdS)
节
• F=U－TS (或dF=dU－TdS)
热
力
• G=pV＋F
学
基
础
16
第
二
三、自发过程及其判据
章
第
二
气体A
气体B
节
热
力
学
基
础
A，B
自发混合
17
第
二
三、自发过程及其判据
章
高温物体
低温物体
第
二
节
热 力 学 基 础