最新东大金属凝固原理第五章课件PPT
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金属凝固理论——课件整理
第一章绪论一、金属材料成型方法金属材料成型就是把原来无定型的材料加工成形状满足要求的器件。
塑性成形：金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定几何形状，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法。
轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。
挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种断面金属材料的加工方法。
举例：棒、管、型；其它：异型截面。
锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形A. 自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工。
B. 模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工。
举例：飞机大梁，火箭捆挷环等冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。
二、材料成型方法与组织的关系材料成型方法与工件组织有紧密的关系。
如铸造与轧制比，组织在晶粒形状、尺寸和取向方面均有明显差别。
柱状晶缩孔和气孔（收缩及气体逸出引起）非金属夹杂物（卷入）热变形：塑性变形温度高于该金属的再结晶温度。
特征：经过回复和再结晶组织均匀化，塑性好，消除内部缺陷，形成轧制流线/流纹。
冷变形：塑性变形温度低于该金属的再结晶温度。
特征：晶粒沿变形最大的方向伸长，形成纤维组织和形变织构；晶粒间产生碎晶。
金属产生加工硬化现象。
三、金属液态成型（铸造）的发展1、铸造是一门古老而年轻的科学。
根据文献记载和实物考察，证明我国铸造生产技术至少有四千年以上的悠久历史。
可分两大发展阶段：前两千年：以青铜铸造为主，形成灿烂的商周青铜文化。
出土的编钟，铸造精巧、音律准确、音色优美。
后两千年：以铸铁为主。
公元前六世纪，发明了生铁和铸铁技术，制造的生产工具取代了青铜。
铸铁生产工具的使用促进了铸铁强韧化的早期发明。
（1）战国时期，我们的先人已经能够通过石墨化热处理和脱碳热处理获得黑心韧性铸铁和白心可锻铸铁。
（2）西汉时期，铸铁中还出现了球状石墨。
而现代球墨铸铁是英国人1947年研制成功的。
金属凝固原理
宏观上，物质从液态转变为固态。微观上，激烈运动的液 态原子恢复到规则排列的过程称为凝固。
2 研究对象：
研究液态金属或合金转变为固态金属或合金这一凝固过程 的理论和技术，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。 凝固学是材料成形技术的基础，也是近代新型材料开拓和 制备的基础。
第一节 单向凝固工艺 第二节 单晶生长 第三节 柱状晶的生长 第四节 自生复合材料
第八章 快速凝固
第一节 快速凝固技术及其传热特点 第二节 快速凝固的热力学 第三节 快速凝固的动力学及界面形貌稳定性 第四节 快速凝固晶态合金的显微结构特征与 应用 第五节 快速凝固的非晶态合金
绪论
研究对象
1 凝固：
两个原子的相互作用势能 W(R) 的曲线如图 1-1b 所示。可 用下式计算相互作用力，当 R 增加 dR 时，力 F 就靠势能 W(R)减小作外功FdR。因此得到： 或 当R=R0 时，F(R0)=0，即 对应于能量的极小值，状态稳定。原子之间倾向于保持一 定的间距，这就是在一定条件下，金属中的原子具有一定 排列的原因。当R=R1时，吸引力最大，即
第二章 凝固热力学
第一节 液态金属结构 第二节 二元合金的稳定相平衡 第三节 溶质平衡分配系数 第四节 液－固相界面成分及界面溶质
分配系数
第三章 凝固动力学
第一节 自发形核 第二节 非自发形核 第三节 固－液相界面结构 第四节 晶体生长方式
第四章 单相合金的凝固
第一节 凝固过程的溶质再分配 第二节 金属凝固过程中的“成分过冷” 第三节 界面稳定性与晶体形态 第四节 胞晶组织与树枝晶 第五节 微观偏析 第六节 固－液界面非线性动力学理论
表1-1 一些金属的熔化潜热和汽化潜热的比较
2 研究对象：
研究液态金属或合金转变为固态金属或合金这一凝固过程 的理论和技术，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。 凝固学是材料成形技术的基础，也是近代新型材料开拓和 制备的基础。
第一节 单向凝固工艺 第二节 单晶生长 第三节 柱状晶的生长 第四节 自生复合材料
第八章 快速凝固
第一节 快速凝固技术及其传热特点 第二节 快速凝固的热力学 第三节 快速凝固的动力学及界面形貌稳定性 第四节 快速凝固晶态合金的显微结构特征与 应用 第五节 快速凝固的非晶态合金
绪论
研究对象
1 凝固：
两个原子的相互作用势能 W(R) 的曲线如图 1-1b 所示。可 用下式计算相互作用力，当 R 增加 dR 时，力 F 就靠势能 W(R)减小作外功FdR。因此得到： 或 当R=R0 时，F(R0)=0，即 对应于能量的极小值，状态稳定。原子之间倾向于保持一 定的间距，这就是在一定条件下，金属中的原子具有一定 排列的原因。当R=R1时，吸引力最大，即
第二章 凝固热力学
第一节 液态金属结构 第二节 二元合金的稳定相平衡 第三节 溶质平衡分配系数 第四节 液－固相界面成分及界面溶质
分配系数
第三章 凝固动力学
第一节 自发形核 第二节 非自发形核 第三节 固－液相界面结构 第四节 晶体生长方式
第四章 单相合金的凝固
第一节 凝固过程的溶质再分配 第二节 金属凝固过程中的“成分过冷” 第三节 界面稳定性与晶体形态 第四节 胞晶组织与树枝晶 第五节 微观偏析 第六节 固－液界面非线性动力学理论
表1-1 一些金属的熔化潜热和汽化潜热的比较
金属凝固热力学与动力学课件
界面动力学
金属凝固过程中，固-液界面处的原子迁移对凝固形态和 组织形成具有关键作用。了解界面动力学的机制有助于理 解金属凝固的动力学特性。
金属凝固的动力学过程
形核过程
金属凝固过程中，形核是重要的 步骤之一。了解形核的动力学特 性有助于预测和控制金属的组织
和性能。
生长过程
金属凝固过程中，固相的生长是重 要的过程之一。了解生长的动力学 特性有助于理解金属的组织和性能 。
模型优化凝固工艺。
02
金属凝固动力学
金属凝固的动力学基础
金属凝固的微观机制
金属凝固过程中，原子从液态向固态的转变涉及到微观结 构的变化。了解这一机制有助于理解金属凝固的动力学过 程。
扩散与传输过程
金属凝固过程中，原子通过扩散和传输过程在液态和固态 之间迁移。这些过程对金属凝固的动力学特性产生重要影 响。
气孔和夹杂物
金属凝固过程中，气体和夹杂 物的卷入导致铸件内部形成气
孔和夹杂物。
金属凝固的缺陷形成机理
体积收缩
金属凝固过程中，液态金属转变为固 态时体积收缩，导致铸件内部产生孔 洞和疏松。
热应力
由于金属凝固过程中温度变化引起的 热应力，可能导致铸件开裂。
溶质再分配
金属凝固过程中，溶质元素在固液相 中的再分配导致铸件成分不均匀。
金属凝固的微观结构模型
01
结晶模型
ห้องสมุดไป่ตู้结晶模型用于描述金属在凝固过程中晶体的生长过程和晶体结构的形成
。结晶模型对于理解金属的微观结构和性能具有重要意义。
02
相变模型
相变模型用于描述金属在凝固过程中发生的相变过程，包括相变的条件
、相变的动力学和相变的结构变化。
03
金属凝固过程中，固-液界面处的原子迁移对凝固形态和 组织形成具有关键作用。了解界面动力学的机制有助于理 解金属凝固的动力学特性。
金属凝固的动力学过程
形核过程
金属凝固过程中，形核是重要的 步骤之一。了解形核的动力学特 性有助于预测和控制金属的组织
和性能。
生长过程
金属凝固过程中，固相的生长是重 要的过程之一。了解生长的动力学 特性有助于理解金属的组织和性能 。
模型优化凝固工艺。
02
金属凝固动力学
金属凝固的动力学基础
金属凝固的微观机制
金属凝固过程中，原子从液态向固态的转变涉及到微观结 构的变化。了解这一机制有助于理解金属凝固的动力学过 程。
扩散与传输过程
金属凝固过程中，原子通过扩散和传输过程在液态和固态 之间迁移。这些过程对金属凝固的动力学特性产生重要影 响。
气孔和夹杂物
金属凝固过程中，气体和夹杂 物的卷入导致铸件内部形成气
孔和夹杂物。
金属凝固的缺陷形成机理
体积收缩
金属凝固过程中，液态金属转变为固 态时体积收缩，导致铸件内部产生孔 洞和疏松。
热应力
由于金属凝固过程中温度变化引起的 热应力，可能导致铸件开裂。
溶质再分配
金属凝固过程中，溶质元素在固液相 中的再分配导致铸件成分不均匀。
金属凝固的微观结构模型
01
结晶模型
ห้องสมุดไป่ตู้结晶模型用于描述金属在凝固过程中晶体的生长过程和晶体结构的形成
。结晶模型对于理解金属的微观结构和性能具有重要意义。
02
相变模型
相变模型用于描述金属在凝固过程中发生的相变过程，包括相变的条件
、相变的动力学和相变的结构变化。
03
《金属的凝固特点》课件
。
连铸工艺
连铸工艺是将液态金属通过连续浇注 的方式，在连铸机内冷却凝固成所需 形状和性能的金属制品的工艺方法。
连铸工艺的应用范围广泛，可生产各 种规格的钢材，如板材、管材、型材 等。
连铸工艺具有高效、节能、环保等优 点，是现代钢铁工业中的重要生产工 艺之一。
定向凝固工艺
定向凝固工艺是一种通过控制热 流方向，使液态金属在特定方向 上凝固，从而获得具有定向组织
结构的金属制品的工艺方法。
定向凝固工艺主要用于制备高性 能的金属材料，如高温合金、单
晶叶片等。
定向凝固工艺具有组织细密、力 学性能优异、耐高温等特点，广 泛应用于航空、航天、能源等领
域。
05
金属的凝固应用
在机械制造中的应用
01
02
03
零件制造
金属凝固后具有良好的强 度和耐久性，因此在机械 制造中广泛应用于制造各 种零件和工具。
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
01 结晶温度
金属开始从液态向固态转变的温度点。
02 影响因素
金属的纯度、冷却速率和金属的种类。
03 规律
纯金属的结晶温度较高，合金的结晶温度较低； 冷却速率越大，结晶温度越高。
金属的凝固结构
金属的固态晶格结构。
影响因素：金属的原子半 径、晶体结构和化学键类 型。
连铸工艺
连铸工艺是将液态金属通过连续浇注 的方式，在连铸机内冷却凝固成所需 形状和性能的金属制品的工艺方法。
连铸工艺的应用范围广泛，可生产各 种规格的钢材，如板材、管材、型材 等。
连铸工艺具有高效、节能、环保等优 点，是现代钢铁工业中的重要生产工 艺之一。
定向凝固工艺
定向凝固工艺是一种通过控制热 流方向，使液态金属在特定方向 上凝固，从而获得具有定向组织
结构的金属制品的工艺方法。
定向凝固工艺主要用于制备高性 能的金属材料，如高温合金、单
晶叶片等。
定向凝固工艺具有组织细密、力 学性能优异、耐高温等特点，广 泛应用于航空、航天、能源等领
域。
05
金属的凝固应用
在机械制造中的应用
01
02
03
零件制造
金属凝固后具有良好的强 度和耐久性，因此在机械 制造中广泛应用于制造各 种零件和工具。
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
01 结晶温度
金属开始从液态向固态转变的温度点。
02 影响因素
金属的纯度、冷却速率和金属的种类。
03 规律
纯金属的结晶温度较高，合金的结晶温度较低； 冷却速率越大，结晶温度越高。
金属的凝固结构
金属的固态晶格结构。
影响因素：金属的原子半 径、晶体结构和化学键类 型。
金属凝固原理ppt课件
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。
可锻铸铁、球墨铸铁：战国时期已有白心、黑心可锻铸铁。 西汉时期此技术达成熟，成为铸作坊中的常规工艺。近年来 发现近十件石墨为球形的铸铁农具。
层叠铸造：王莽时代，一次铸184枚铜钱、河南温县窑出 土的2000年前叠箱浇注的铸件，一组18个马嚼子。
大型及特大型铸件：沧州铁狮子：公元953年：50吨；当 阳铁塔：公元1061年，50吨；正定铜佛：公元971年： 50吨；永乐大钟：公元1418年，46吨。
“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”。
1
AR 2
A
DL2
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。
例： 小尺寸铸件 金属型 快速凝固 凝固时间极短 （几秒） 溶质的扩散和对流的作用将不明显，导 热成为SP的控制环节。
可锻铸铁、球墨铸铁：战国时期已有白心、黑心可锻铸铁。 西汉时期此技术达成熟，成为铸作坊中的常规工艺。近年来 发现近十件石墨为球形的铸铁农具。
层叠铸造：王莽时代，一次铸184枚铜钱、河南温县窑出 土的2000年前叠箱浇注的铸件，一组18个马嚼子。
大型及特大型铸件：沧州铁狮子：公元953年：50吨；当 阳铁塔：公元1061年，50吨；正定铜佛：公元971年： 50吨；永乐大钟：公元1418年，46吨。
“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”。
1
AR 2
A
DL2
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。
例： 小尺寸铸件 金属型 快速凝固 凝固时间极短 （几秒） 溶质的扩散和对流的作用将不明显，导 热成为SP的控制环节。
金属凝固原理——形核PPT课件
• 异质形核：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核 过程，亦称“非均质形核”或“非自发形核”。
.
9
一、均质形核的热力学条件 二、均质形核动力学 三、均质形核的局限性
.
10
一、均质形核的热力学条件（过程进行的条件）
. 晶核（为球体）形成时，
系统自由能变化由两部分
组成，即作为相变驱动力
的液-固体积自由能之差
0
a Mg 3 .209
0
c Mg 5 .210
0
a Zr 3.230 a 0.7%
0
cZr 5.133 c 1.5%
Zr作为Mg合金的晶粒细化剂
.
25
（2）晶格类型不同，但某一晶面之间 存在共格对应
例如：Al合金中加入Ti（0.2~0.3%）
Al：面心立方
0
a4.05
TiAl3 ：正方
.
2
1 2
3
3.1
凝固过程包括：形核过程和晶体长大过程。凝固后的宏观组织由晶粒和 晶界组成
.
3
§3-1 凝固的基本热力学条件 一、液-固相变驱动力 二、大量形核的过冷度（T*）
.
4
一、 液-固相变驱动力
• 从热力学推导系统由液体向固体转变的 相变驱动力ΔG
图3.2 液-固体积自由能的变化
.
5
当 T ＞Tm 时，有：ΔGV = Gs － GL＞ 0
c 0.3%
.
28
小结：界面共格对应原则的实质：增大固、 液两相界面附着力，减小异质形核的 形核功，使固相质点成为异质形核的 有效衬底。
.
29
2.固相杂质表面的粗糙度
• 杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响 凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差 。
.
9
一、均质形核的热力学条件 二、均质形核动力学 三、均质形核的局限性
.
10
一、均质形核的热力学条件（过程进行的条件）
. 晶核（为球体）形成时，
系统自由能变化由两部分
组成，即作为相变驱动力
的液-固体积自由能之差
0
a Mg 3 .209
0
c Mg 5 .210
0
a Zr 3.230 a 0.7%
0
cZr 5.133 c 1.5%
Zr作为Mg合金的晶粒细化剂
.
25
（2）晶格类型不同，但某一晶面之间 存在共格对应
例如：Al合金中加入Ti（0.2~0.3%）
Al：面心立方
0
a4.05
TiAl3 ：正方
.
2
1 2
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3.1
凝固过程包括：形核过程和晶体长大过程。凝固后的宏观组织由晶粒和 晶界组成
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3
§3-1 凝固的基本热力学条件 一、液-固相变驱动力 二、大量形核的过冷度（T*）
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4
一、 液-固相变驱动力
• 从热力学推导系统由液体向固体转变的 相变驱动力ΔG
图3.2 液-固体积自由能的变化
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5
当 T ＞Tm 时，有：ΔGV = Gs － GL＞ 0
c 0.3%
.
28
小结：界面共格对应原则的实质：增大固、 液两相界面附着力，减小异质形核的 形核功，使固相质点成为异质形核的 有效衬底。
.
29
2.固相杂质表面的粗糙度
• 杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响 凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差 。
东大金属凝固原理第五章
36
界面张力之间三种不同的情况
1.当 a1La2LL 1L2co s时，a相和L2并排地长大， a相生 长时将B原子排出， L2生长时将B原子吸收，当达到共 晶温度时， L2转变为共晶组织，只是共晶组织中的a相 与偏晶反应产生的a相合并在一起。凝固后的最终组织
为在a相的基底上分布着棒状或纤维的β相。
12
ψf＜10﹪
13
Ψf在20％－35％
14
ψf＞40％
共 晶 规 则 结 构
15
非平衡状态下的共晶共生区
从相图可知，在平衡条件下， 共晶反应只发生在一个固定成分的 合金下，任何偏离这一成分的合金 凝固后都不能获得100％的共晶组 织。从热力学观点看，在非平衡凝 固条件下，具有共晶型的合金，当 快冷到两条液相线的延长线所包括 的范围时，即使是非共晶成分的合 金，也可以获得100％的伪共晶组 织，如图5－10所示。图中的影线 部分即为共晶共生区，共生区规定 了共晶稳定生长的温度和成分范围， 超过这个范围，组织上将变为亚共 晶或过共晶。
31
32
a) 金属－非金属共晶合作长大模型 b）金属－非金属共晶重新形核长大模型
33
实验证明金属－非金属共晶是按合作长大模型进行长大的。 合作长大模型的关键在于共晶中的非金属晶体在长大过程中是 不断进行分枝以改变其长大的方向。
34
§5-4 偏晶合金的凝固
一、偏晶合金大体积的凝固
35
二、偏晶合金的单向凝固
共晶层片间距23不纯物的影响在纯的共晶合金的稳定态生长中每个相的成长将排挤出另外一个组元并在固液界面前沿造成溶质富集区该富集区的厚度较窄仅是层片厚度的数量级它们对于横向扩散造成一定的浓度梯度这对共晶两相的同时长大是必要的它可以保证共晶的稳定界面是平面界面而且并不形成成分过冷区
界面张力之间三种不同的情况
1.当 a1La2LL 1L2co s时，a相和L2并排地长大， a相生 长时将B原子排出， L2生长时将B原子吸收，当达到共 晶温度时， L2转变为共晶组织，只是共晶组织中的a相 与偏晶反应产生的a相合并在一起。凝固后的最终组织
为在a相的基底上分布着棒状或纤维的β相。
12
ψf＜10﹪
13
Ψf在20％－35％
14
ψf＞40％
共 晶 规 则 结 构
15
非平衡状态下的共晶共生区
从相图可知，在平衡条件下， 共晶反应只发生在一个固定成分的 合金下，任何偏离这一成分的合金 凝固后都不能获得100％的共晶组 织。从热力学观点看，在非平衡凝 固条件下，具有共晶型的合金，当 快冷到两条液相线的延长线所包括 的范围时，即使是非共晶成分的合 金，也可以获得100％的伪共晶组 织，如图5－10所示。图中的影线 部分即为共晶共生区，共生区规定 了共晶稳定生长的温度和成分范围， 超过这个范围，组织上将变为亚共 晶或过共晶。
31
32
a) 金属－非金属共晶合作长大模型 b）金属－非金属共晶重新形核长大模型
33
实验证明金属－非金属共晶是按合作长大模型进行长大的。 合作长大模型的关键在于共晶中的非金属晶体在长大过程中是 不断进行分枝以改变其长大的方向。
34
§5-4 偏晶合金的凝固
一、偏晶合金大体积的凝固
35
二、偏晶合金的单向凝固
共晶层片间距23不纯物的影响在纯的共晶合金的稳定态生长中每个相的成长将排挤出另外一个组元并在固液界面前沿造成溶质富集区该富集区的厚度较窄仅是层片厚度的数量级它们对于横向扩散造成一定的浓度梯度这对共晶两相的同时长大是必要的它可以保证共晶的稳定界面是平面界面而且并不形成成分过冷区
5凝固成形技术
3
白口铸铁：碳基本上以Fe3C形式存在，断口呈银白色；
灰口铸铁：碳基本上以石墨形式存在，是应用最广的铸铁（根 据其石墨形态的不同，又可分为4类：普通灰铸铁、蠕墨铸铁、 可锻铸铁和球墨铸铁）；
麻口铸铁：碳一部分以石墨形式存在，另一部分以Fe3C形式存 在，是介于白口和灰口之间的过度组织。 根据铸铁的化学成分分，铸铁还可以分成普通铸铁和合金铸铁（含Si、Mn）
铸铁，后面的三位数字表示最低抗拉强度（MPa）。目前共有RuT260~RuT420等5 个牌号。
11
5.可锻铸铁
定义：将白口铸铁经高温石墨化退火制成的石墨为团絮状的铸铁。 优点：可锻铸铁非常适用于制造形状复杂、承受冲击负荷的薄壁小件。例如各 种阀门、管件及纺织机中的各种零件。 分类：黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁及白心可锻铸铁 可锻铸铁的牌号：标准标准（GB9440—88）中规定，“KTH”代表黑心可锻铸铁、 “KTZ”代表珠光体可锻铸铁、“KTB”代表白心可锻铸铁 。
铸 件
19
造型和制芯材料准备
分类：粘土砂、水玻璃砂、树脂砂。 粘土砂是用粘土作为粘结剂的型砂； 水玻璃砂是用水玻璃作粘结剂的型（芯）砂。
砂型铸造的特点
砂型铸造是适用面最广的一种凝固成形方法，它几乎适用于所有不同大小、结 构的零部件生产。 砂型的导热系数较低，因此液态金属在砂型中的凝固速度较慢，特别是对一些 壁厚较大的铸件，导致内部晶粒较大，易于产生组织及成分的偏析等，从而降
3
5.1 凝固成形概述
定义：金属材料熔化成液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模 型空腔（称为铸型）中，待液态金属冷却后将铸型打开（或破坏）取出所形 成的铸件毛坯，然后清理掉由于工艺需要而添加的部分（如浇口，冒口等） 后即可得到所需的铸件。 特点：凝固成形具有极高的随意性及综合经济性，这是其它成形方法所不及的。
白口铸铁：碳基本上以Fe3C形式存在，断口呈银白色；
灰口铸铁：碳基本上以石墨形式存在，是应用最广的铸铁（根 据其石墨形态的不同，又可分为4类：普通灰铸铁、蠕墨铸铁、 可锻铸铁和球墨铸铁）；
麻口铸铁：碳一部分以石墨形式存在，另一部分以Fe3C形式存 在，是介于白口和灰口之间的过度组织。 根据铸铁的化学成分分，铸铁还可以分成普通铸铁和合金铸铁（含Si、Mn）
铸铁，后面的三位数字表示最低抗拉强度（MPa）。目前共有RuT260~RuT420等5 个牌号。
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5.可锻铸铁
定义：将白口铸铁经高温石墨化退火制成的石墨为团絮状的铸铁。 优点：可锻铸铁非常适用于制造形状复杂、承受冲击负荷的薄壁小件。例如各 种阀门、管件及纺织机中的各种零件。 分类：黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁及白心可锻铸铁 可锻铸铁的牌号：标准标准（GB9440—88）中规定，“KTH”代表黑心可锻铸铁、 “KTZ”代表珠光体可锻铸铁、“KTB”代表白心可锻铸铁 。
铸 件
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造型和制芯材料准备
分类：粘土砂、水玻璃砂、树脂砂。 粘土砂是用粘土作为粘结剂的型砂； 水玻璃砂是用水玻璃作粘结剂的型（芯）砂。
砂型铸造的特点
砂型铸造是适用面最广的一种凝固成形方法，它几乎适用于所有不同大小、结 构的零部件生产。 砂型的导热系数较低，因此液态金属在砂型中的凝固速度较慢，特别是对一些 壁厚较大的铸件，导致内部晶粒较大，易于产生组织及成分的偏析等，从而降
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5.1 凝固成形概述
定义：金属材料熔化成液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模 型空腔（称为铸型）中，待液态金属冷却后将铸型打开（或破坏）取出所形 成的铸件毛坯，然后清理掉由于工艺需要而添加的部分（如浇口，冒口等） 后即可得到所需的铸件。 特点：凝固成形具有极高的随意性及综合经济性，这是其它成形方法所不及的。
金属凝固原理课件
形核速率
描述形核过程的快慢，与温度、过 冷度等因素有关。
晶体的长大与生长形态
晶体长大
晶核形成后，周围的原子或分子 继续附着到晶核上，使晶体逐渐
长大的过程。
生长形态
晶体生长过程中形成的外观形态， 如树枝状、柱状、球状等。
生长速率
晶体长大的速度，通常与温度梯 度、溶质浓度等因素有关。
04
金属凝固过程中的组织与性能
02
金属凝固过程中的传热与传质
传热与传质的基本概念
传热
指热量从高温处传递到低温处的 现象，是热量传递的一种方式。
传质
指物质从一处传递到另一处的现 象，是物质传递的一种方式。
金属凝固过程中的传热与传质现象
传热现 象
在金属凝固过程中，热量从液态传递 到固态，使液态金属逐渐冷却并转变 为固态。
传质现 象
03
金属凝固过程中的形核与长大
形核的基本概念
形核
指在液态金属中形成固相 晶核的过程。
形核过程
在液态金属冷却过程中， 原子或分子的排列逐渐变 得有序，最终形成固体晶 格结构。
形核率
单位时间内形成的晶核数量。
形核机制与形核速率
均质形核
在液态金属中自发形成晶核的过 程，需要克服能量障碍。
异质形核
在金属中的杂质或界面上形成晶核 的过程，通常较容易发生。
02
金属凝固是金属材料制备和加工 过程中最重要的物理过程之一， 对金属材料的性能和应用具有重 要影响。
金属凝固的物理过程
01
02
03
冷却过程
金属液体在冷却过程中， 原子逐渐失去液态的无序 性，开始形成固态晶格结 构的过程。
形核过程
在金属液体冷却到熔点以 下时，原子开始聚集形成 晶核的过程，是金属凝固 的起始点。
描述形核过程的快慢，与温度、过 冷度等因素有关。
晶体的长大与生长形态
晶体长大
晶核形成后，周围的原子或分子 继续附着到晶核上，使晶体逐渐
长大的过程。
生长形态
晶体生长过程中形成的外观形态， 如树枝状、柱状、球状等。
生长速率
晶体长大的速度，通常与温度梯 度、溶质浓度等因素有关。
04
金属凝固过程中的组织与性能
02
金属凝固过程中的传热与传质
传热与传质的基本概念
传热
指热量从高温处传递到低温处的 现象，是热量传递的一种方式。
传质
指物质从一处传递到另一处的现 象，是物质传递的一种方式。
金属凝固过程中的传热与传质现象
传热现 象
在金属凝固过程中，热量从液态传递 到固态，使液态金属逐渐冷却并转变 为固态。
传质现 象
03
金属凝固过程中的形核与长大
形核的基本概念
形核
指在液态金属中形成固相 晶核的过程。
形核过程
在液态金属冷却过程中， 原子或分子的排列逐渐变 得有序，最终形成固体晶 格结构。
形核率
单位时间内形成的晶核数量。
形核机制与形核速率
均质形核
在液态金属中自发形成晶核的过 程，需要克服能量障碍。
异质形核
在金属中的杂质或界面上形成晶核 的过程，通常较容易发生。
02
金属凝固是金属材料制备和加工 过程中最重要的物理过程之一， 对金属材料的性能和应用具有重 要影响。
金属凝固的物理过程
01
02
03
冷却过程
金属液体在冷却过程中， 原子逐渐失去液态的无序 性，开始形成固态晶格结 构的过程。
形核过程
在金属液体冷却到熔点以 下时，原子开始聚集形成 晶核的过程，是金属凝固 的起始点。
金属凝固及控制PPT
液体的特征： 具有良好的流动性，无确定的形状，原子间距稍大于固体， 配位数稍小于固体，存在近程有序状态。（图1－3）
图1-3 液体金属的球体模型
1.2 固体金属的晶体结构
固体金属由晶体组成，每个晶体具有相同的排列次序，而晶 体间的接合部－晶界的原子排列紊乱。如果取一个晶体中的单胞 来研究，按其点阵排列状况可分为：立方晶系、六方晶系、三斜 晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系、三角晶系。常见的有立 方晶系和六方晶系，如：面心立方、体心立方、密排六方晶胞等。
3.1 固—液相界面的结构
光滑界面（小平面）：是指固相界面上的原子排列成平整的原子 平面，即晶体学的某一晶面。（图3－1） 粗糙界面：是指固相界面上的原子排列高高低低粗糙不平，不显 示晶体学的任何晶面特征。（图3－2）
3.2 决定固相—液相界面类型的因素
表面自由能相对改变值： （图3－3）
表面位置被占据的分数： x 当特征值 α≤2 时，在x = 1/2处曲线出现一个极小值，说明这类物 质以粗糙界面形式长大（金属型界面）。 当特征值 α≥5 时，在x = 0、1处，曲线出现极小值，说明这类物 质以光滑面形式长大（非金属型界面）。（图3－4）
图1-19 体心立方晶胞的原子数
d）构成晶胞的原子堆积方式（图1－15） (1)ACAC (2)ABAB (3)ABCABC (4)ACBACB 如：密排六方的原子堆积方式ACACAC……或者ABABAB…… 面心立方的原子堆积方式ABCABCABC……
图1-15 密集排列的原子面，从中可见有B和C两 种凹穴位置，其上可放置第二层原子
图5-18 K0<1和K0>1两类平衡相图的一角
b)非平衡分配系数KE：反映在特定条件下非平衡凝固过程中固相 成分和液相成分的差别。 KE = 瞬时形成的固相成分/在同一时间内液相的平均成分
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共晶组织形态的影响因素
规则共晶（非小平面相-非小平面相），多由金属和金属相， 金属-金属间化合物相组成，形态为层片状、棒状。共晶组织形 貌主要与溶解熵和共晶中体积百分数有关。某一相的体积百分 数小于1/π时，容易出现棒状组织，因为相间距一定时，棒状 的相间界面面积比层片状小，其界面能低，容易形成。
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４.不纯物的影响
在纯的共晶合金的稳定态生长中，每个相的成长将排 挤出另外一个组元，并在固液界面前沿造成溶质富集区， 该富集区的厚度较窄，仅是层片厚度的数量级，它们对于 横向扩散造成一定的浓度梯度，这对共晶两相的同时长大 是必要的，它可以保证共晶的稳定界面是平面界面，而且 并不形成“成分过冷”区。但是，如果有第三组元的纯在， 而且它在共晶两相中的k0小于１，则在共晶长大时两相均 将第三组元排至液相中，并在界面前沿造成堆积，其堆积 的厚度较宽，如果液相中的温度梯度较小，则在界面附近 将出现“成分过冷”区。此时，平面的共晶界面将变为类 似于单向合金凝固时的胞状结构。共晶中的胞状结构通常 称为集群结构。
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ψf＜10﹪
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Ψf在20％－35％
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ψf＞40％
共 晶 规 则 结 构
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非平衡状态下的共晶共生区
从相图可知，在平衡条件下， 共晶反应只发生在一个固定成分的 合金下，任何偏离这一成分的合金 凝固后都不能获得100％的共晶组 织。从热力学观点看，在非平衡凝 固条件下，具有共晶型的合金，当 快冷到两条液相线的延长线所包括 的范围时，即使是非共晶成分的合 金，也可以获得100％的伪共晶组 织，如图5－10所示。图中的影线 部分即为共晶共生区，共生区规定 了共晶稳定生长的温度和成分范围， 超过这个范围，组织上将变为亚共 晶或过共晶。
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2、第三组元对共晶结构的影响
当第三组元在共晶两相中的分配系数相差较大时， 其在某一相的固－液界面前沿的富集将阻碍该相的长大； 而另一相的固－液界面前沿由于第三组元富集较少，其长 大速度较快。这样，由于搭桥作用，落后的一相将被长大 快的一相分隔成筛网状组织，继续发展，即成棒状组织。 通常可以看到共晶晶粒内部为层片状，而在共晶晶粒交界 处为棒状，其原因就在于：在共晶晶粒之间，第三组元富 集的浓度较大，从而造成其在共晶两相中分配系数的差别， 导致在某一相前沿出现了“成分过冷”。
金属-非金属共晶为不规则共晶，组织形态为片 状与丝状。
决定S-L界面为粗糙或光滑界面是依据组元的熔 化熵，entropy of solution 熔化熵大于23J/（mol.k) –为小平面相， 熔化熵小于23J/（mol.k) –为非小平面相。
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体积 分数 与溶 化熵 对共 晶形 貌的 影响
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非规则共晶（非小平面-小平面相），多由金属和非金属相 组成，在溶解熵大于23 J/（mol.k) 的非规则共晶中，小平面 相体积分数ψf＜10﹪为破断的层片状，（图5－3中C区）；小 平面相体积分数ψf 在10-20﹪ （D区）共晶组织为不规则片状。 Ψf在20％－35％（E区）时，共晶组织为复杂的规则结构，是 由很多胞晶组成，如图5－7. ψf＞40％（F区）时，共晶组织 为准规则结构，是由板片状或少量的棒状组成，如图5－8.
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2.共晶的稳定态长大及固－液界面曲率
由于金属－金属共晶的固－液界面是非光滑 的，所以其界面的向前生长不取决于结晶的性 质，而取决于热流的方向。两相并排的长大方 向垂直于固－液界面。由于两相的层片间距很 小，在长大过程中横向扩散是主要的。
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共晶片层的生长与扩散
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3.共晶层片间距
一个长大速度对应一个层片间距。片间距过小时，由于 相间面积增加，使界面能增大；片间距过大时，在片层中央 前沿的液体由于扩散距离较远，富集了大量的溶质原子，从 而迫使这里的固液界面曲率半径出现负值，形成凹袋，并逐 渐向界面的反向延伸，直到这里产生另一相为止。这样，事 实上也就自动调整了片层间距。
东大金属凝固原理第五章
§5-1 共晶概述
由于化学成分和凝固条件不同，共晶合金可以 形成各种各样的组织形态。 层片状（棒状、条状、纤维状）； 球状； 针状；
螺旋状。
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片 状 共 晶
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树 枝 状 共 晶
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棒状共晶
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对于合金，可以分成规则共晶：层片状、棒状。 非规则共晶:小平面-非小平面共晶 1.金属-金属共晶
在α与β两固相间界面张力相同的情况下，如果共晶 中的一相体积含量相对与另一相低时，倾向于形成棒状共 晶；当两相体积含量相接近时，倾向于形成片状共晶。确 切说，如果一相的体积分数小于1/π时，该相将以棒状结 构出现，如果体积分数在1/π～1/2之间时，两相均以片 状结构出现。造成这种情况的原因主要是结构的表面能的 大小。
凝固时S-L界面为粗糙界面（非小平面）， 结晶面不是特定的晶向，决定长大的因素是热流 方向、两组元在液相中的扩散。 共晶生长时，两相并排结晶出来，并垂直于S-L界 面进行协同生长。 S-L界面近似保持平面状，金 属-金属共晶为规则共晶。
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金属合金的固-液界面形貌
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2.金属-非金属共晶
金属以非小平面长大，非金属以小平面长大。 小平面晶体长大的各向异性很强，其S-L界面为特定 的晶面。因此， S-L界面为非平面的，且及不规则。
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５.单向共晶的晶体学特征 在单向凝固过程中，共晶各相有着一定的最
优结晶取向，并且各相之间存在着一定的结晶学 关系。这是由于共晶各相之间的界面能与界面上 各相的晶体学排列有关，晶体学排列越相近，界 面能越低。
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二、棒状共晶生长
在金属－金属共晶组织中，除层片结构外，还有棒状 结构。究竟是哪种结构出现，要取决于共晶中α与β相间 的体积比以及第三组元的存在这样两个因素。 1、共晶中两相体积分数的影响
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§5-2 金属-金属共晶的凝固
一、层状共晶生长
在非方向性凝固的 情况下，共晶体以球形 方式长大。球形结构由 两相的层片构成，向外 散射状。球的中心有一 个核心，为两相中的一 相，称领先相，熔点较 高的相，起结晶核心作 用。
17Leabharlann １.共晶生长方式核心形成后，在核心附近形成β相，依靠搭桥的方式， 使同类相的层片增殖，由一个晶核长出整个共晶团。