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1、合金凝固理论 昆明理工大学 绪 论 金属（合金）凝固过程的研究对象 合金凝固理论的发展 凝固学与材料成形 本课程的目的及要求 推荐参考书 合金凝固过程研究对象 什么是凝固？ 宏观意义而言，物质从液态转变成固态的相变过程称为凝 固。 从微观意义上说，激烈运动的液体原子回复到规则排列的 过程称为凝固。 凝固现象在自然界和工程领域广为存在。 合金凝固理论就是研究液态金属（合金）转变为固态金属 （合金）这一凝固过程的理论及技术。 合金凝固理论的基础是物理化学、金属学、传热学、传质 学和动量传输学等，在此基础上，阐述液态金属的结构和 性质、晶体的形核及长大、宏观组织及其控制等内容。 影响液态金属凝固的主
2、要因素 化学成分 冷却速率 普通工业条件下，冷却速率为10-3102/s，获得 晶体组织 特殊条件下，冷却速率达106109/s时，可获得 非晶态组织。 液态合金的结构和性质、冶金处理的作用，对液态 金属的凝固也具有重要影响。 凝固学的发展 我国冶铸技术已有5000多年的历史：前3000年为青铜 器时代，后2000年为铁器时代。 铜器和铁器的制造是一个典型的熔化、凝固过程。 公元前513年，我国铸造270kg铸鼎 明永乐18年（公 元1418年1422 年）铸造的； 重46吨，高5.84米 ，外径3.3米，内 径2.9米； 钟体内外铸满笔 划清晰的经文约 22700个文字。 北京大钟寺的永乐大
3、钟 20世纪金属凝固理论的进展 2030年代Tammann结晶理论 40年代Chvorinov平方根定律 50年代Chalmers,Tiller,Jackson and Rutter，成分过冷 理论 60年代Jackson and Hunt，共晶生长理论 70年代Flemings，局部溶质再分配理论 80年代Aziz，快速凝固条件下的溶质再分配模型 90年代Kurz and Trivedi，从极慢速凝固到快速凝固的 统一模型 20世纪金属凝固理论的进展 特种条件下的凝固规律 快速凝固、极低速凝固 微重力凝固、超重力凝固、超高压凝固 凝固过程的计算机数值模拟与仿真 凝固过程温度场的模拟仿真 金属
4、液充型过程流场的模拟仿真 凝固过程应力场的模拟仿真 凝固组织的模拟仿真 凝固学与材料成形 液态成形、连接成形、塑性成形、粉末成形及切削成形仍是材 料成形的主要方法。 凝固学在这些材料成形技术中起着直接或间接的作用。 液态成形是将液态金属浇入铸型后，经凝固和冷却后获得具有 一定形状和性能的铸件和铸锭的加工方法。凝固过程对铸件质 量起着关键的作用。 连接成型方法有熔化焊、压焊、钎焊及铆焊。熔化焊，包括近 代的激光焊，是当代主要的焊接方法。熔化焊是在极短的时间 内将金属熔化并随后凝固而形成接头的一种加工技术。焊接质 量在很大程度上由焊缝的凝固特性来决定，研究焊缝的凝固规 律已成为重要的理论课题。 凝
5、固学与材料成形 塑性成形是金属（合金）在热态或冷态时，于外 力作用下使其产生塑性不行而达到具有一定形状 的产品的加工方法。 塑性加工所用的坯料都是经过熔化和凝固而获得 的。凝固组织，特别是凝固过程中形成的夹杂、 裂纹、偏析等对塑性成形会造成严重的后果。 近代的新型材料成形技术，如喷射锻造与凝固学 直接联系。 凝固学与材料成形 材料成形的最终目的是高效、低耗、无污染地制 造出高性能的符合人类不断增长要求的产品。 一次性地形成“净终形”产品越来越引起人们的 重视。 这种现代最新的材料成形方法与凝固学的关系极 其密切。 可以预料，凝固学的发展将孕育和产生更复合社 会需要的材料成形技术和性能更优异的新
6、型材料 和产品。 本课程的目的及要求 合金凝固理论是材料学科重要的硕士研究生学位课程之一 ，希望学生通过学习能应用凝固理论解决实际凝固过程中 的问题： 应用相平衡及控制液固相转变及微观组织形成的传输现象 和界面现象等分析凝固过程。 理解和预测凝固组织的形成。 深入了解铸件凝固过程中的流体流动、传热和传质现象。 将凝固基本原理应用到实际凝固过程。 了解现代凝固控制技术及其基本原理。 推荐参考书 金属凝固原理 胡汉起，机械工业出版社 材料成形原理 陈平昌，朱六妹，李赞，机械工业出版社，2001 金属凝固原理及技术 马幼平，许云华，冶金工业出版社 近代材料加工原理 吴德海，任家烈，陈森灿，清华大学出
7、版社，1997 材料成形基本原理 刘全坤，机械工业出版社，2005 内 容 第一章 液态金属的结构和性质 第二章 液态金属（合金）凝固热力学和动力学 第三章 液态金属（合金）凝固过程中的传热、传 质及液体流动 第四章 单相合金的凝固 第五章 多相合金的凝固 第六章 铸件凝固组织的形成及控制 第七章 凝固控制技术 第一章 液态金属的结构和性质 固体金属的加热、熔化 液态金属的结构 液态金属的性质 1.1固体金属的加热熔化 物质是由原子构成的， 原子之间存在着相互作 用力。 当原子间的距离为R0 时，原子受到的引力与 斥力相等，处于平衡态 。 原子在平衡位置附近做 简谐振动，维持晶体的 固定结构。
8、 金属从固态熔化为液态时的变化 加热时金属原子间距变化与原子间能垒 晶体受热膨胀 The Limit of Thermal Expansion of Pure Metals 金属Au小颗粒的熔点与粒径 金属从固态熔化为液态时的变化 若对晶体进一步加热，则达到激活能值的原子数量也 进一步增加；当这些原子数量达到某一数量值时，首 先在晶界处的原子跨越势垒而处于激活状态，能脱离 晶体表面，向邻近晶粒跳跃，导致原有晶粒失去固定 的形状与尺寸，晶粒间可出现相对流动，称为晶界粘 性流动。此时，金属处于熔化状态。 进一步加热，其温度不会进一步升高，而是晶粒表面 原子跳跃更频繁。晶粒进一步瓦解为小的原子集团和
9、 游离原子，形成时而集中，时而分离的原子集团、游 离原子和空穴。此时，金属从固态转变为液态。 金属从固态熔化为液态时的变化 金属由固态变成液态，体积约膨胀35 。而且，其它性质如电阻、粘性也会发 生突变。 在熔点温度的固态变成液态时，金属要吸 收大量的热量，称为熔化潜热。 1.2液态金属的结构 液态金属的热物理性质 X射线结构分析 液态金属的结构 金属的熔化潜热和气化潜热比较 对气态金属而言，原子间结合键几乎完全被破坏 ，而液态金属原子间结合键只破坏了一部分。 某些金属的熵值变化 熵值变化是系统结构紊乱变化的量度。 金属由固态变为液态熵值增加不大，说明原子的固态时的 规则排列熔化后紊乱程度不大
10、。 液态金属的结构接近固态金属而远离气态金属。 液态金属结构的实验测定 X射线结构分析 r为以选定原子为中心的一 系列球体的半径， 表示围绕所选定原子的半 径为r、厚度为dr的一层球 壳中原子数。为球面上 的原子密度。 直线和曲线分别表示固态 铝和700的液态铝中原 子的分布。 液体的径向分布函数与结构分析 液体径向分布函数示意图 X射线所得液态和固态金属结构参数 Pb-Sb二元合金的差热分析结果 Pb-5%Sb合金Pb-11.2%Sb合金 液态铝的吸氢量与温度的关系 液态金属的结构 实际的液态金属（合金）是由各种成分的 原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质 及气泡组成的鱼目混珠的“混浊”的液
11、体 。 实际的液态合金存在能量起伏、结构起伏 和浓度起伏。 1.3液态金属的性质 液态金属的粘度 表面张力和表面能 界面张力和界面能 Gibbs吸附方程 液态金属的粘滞性粘度 粘度介质中一部分质点对另一部分质点 作相对运动时所受到的阻力。 根据牛顿液体粘滞定律 层流，所有液体平行运动，层和层之间存在 内摩擦力 动力粘度和运动粘度 粘滞系数就是通常所称的粘度，也叫动力粘度。 粘度的倒数叫流动性。 运动粘度 影响粘度的因素 温度 由 可知，第二项 随温度升 高而降低，第一项 则与温度 呈直线关系 。 当温度不太高时（比如熔点附近），指数项随温 度增高而急剧变化，因而使粘度下降。 但当温度很高时，指
12、数项趋近于1 ，这时随温度 增高，粘度呈直线增加。显然，这种情况已是接 近气态了。 液态金属粘度log与1/T的关系 影响粘度的因素 化学成分 Fe-C亚共晶合金，随C含量的升高，粘 度下降。共晶点时，粘度最小，流动性最 好。 非金属夹杂物 固态杂质越多，粘度越大。 Al-Si合金的粘度 Fe-C合金的粘度 粘度在材料成形过程中的意义 对液态金属净化的影响 对液态合金流动阻力的影响 对凝固过程中液态合金对流的影响 粘度与Stokes(司托克斯)公式 液体金属中存在的各种夹杂物及气泡等总是力图离开 液体，以上浮的方式分离。 脱离的动力是两者重度之差，即 根据司托克斯原理，半径0.1cm以下的球形
13、杂质的阻 力Pc： 杂质匀速运动时，Pc=P，故 杂质上浮速度 对液态合金流态的影响 流体的流动分层流和紊流，属何种流态由雷诺数Re 的大小决定。 Re的数学式为 式中，D为管道直径；v为流体流速；为流体重度 。 临界雷诺数：对于圆管Rek=2300 Re2300为紊流 Ref2 时，产 生指向 固体内 部且垂 直于A 点液面 的合力 F 当f3f2 时，产 生指向 固体内 部且与 液面垂 直的合 力F 液态金属（合金）的流动性及充型能力 金属液态成形的型腔及充型过程 液态金属充型流动的特点 1、流动中被冷却，温度降低，粘度增大 流速和流动状态会发生变化、非稳定流动 2、短时间短流道流动，多局
14、部阻力非平 稳流动、会卷入气体、夹杂等杂质。 3、表面张力大，流动中还会结晶会充填 不进，或提前停止流动而充填不满。 液态金属（合金）的流动性及充型能力 液态金属流动性及充型能力的基本概念 液态金属充型能力的测定方法 液态金属充型能力的计算 液态金属流动性及充型能力的基本概念 液态金属本身的流动能力称为流动性。它由液态 金属的成分、温度、杂质含量等决定，与外界因 素无关。 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，叫液态金属充填型腔的能力， 简称充型能力。 液态金属的充型能力首先决定于其本身的流动性 ，同时受外界条件的影响，如铸型性质、浇注条 件、铸型结构等。 充型能力物理模型 假设用某合金浇一水平圆棒形试样，在一定条件下合金的充 型能力以其流过的长度l来表示。 式中，H为液态金属的静 压头；为流量消耗系数。 充型能力计算 式中，F为试样的断面积；P为断面积F的周长； 1为液体金属 的密度（kg/m3）； C1为液态金属的比热容（J/kg）;为换 热系数（W/m3)；L为金属的结晶潜热；L为合金液相线温度 ；型为铸型的初始温度； 浇为合金的浇注温度； K为液态金 属停止流动时的温度；K为液态金属停止流动时，液流前端析 出的固体数量。
