凝固科学基础复习梗概

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1、实验数据液体结构定性推论熔化时，约3-5%的体积膨胀。原子间距增加1-1.5%,排列松散LbLm与固态相比，金属原子的结合键破坏很少部分熔化时熵增大排列的有序性下降，混乱度增加气、液、固相比较，液态金属结构更接近固态2. 衍射图像：晶体：位置明确的清晰线条或分布规则的亮点。 液体：少数几条宽而模糊的衍射带或漫射光环。n= 4兀 r 2 drp (r)r ,r+dr表明：液态中有一些紊乱分布的原子，造成对X射线的散射3. 径向分布函数 r，距参考原子的距离；nr，r+dr，半径为r和r+dr之两球面间的壳层内的原子中心数； p （r），r处单位体积内的原子数目，number density。4.

2、 近程（有）序：在几个原子间距范围内，质点的排列与固态相似，排列有序5. 液态金属配位数：邻近参考原子密集排列的第一球壳原子数。即r-原子密度图中第一单峰 下的面积。6. 温度升高，液体径向分布密度的变化：峰值下降7. 液体结构理论：（1）点阵理论：将液体看作是各处被破坏的固体。包括晶胞理论、孔穴或效结构理论。（2）钢球随机密堆积模型：液体是原子或分子刚球的随机密集堆积物，其中没有晶体区域, 也没有大到足以容纳另一原子的空穴。8. 杂质的存在破坏了液体的均匀性，造成分布不均。由于散热和纯净度影响，存在1）温度不均匀（能量起伏）2）成分和浓度的不均匀（起伏）3）相和结构的不均匀（起伏）正是这些不

3、均匀，为凝固成核提供了必要条件，使实际金属凝固时成核更容易。9. 熔化前后：扩散率增加、电阻增加、体积增加、LbLm， SLSS10. 流体（fluid）:在剪切力作用下（无论多小）可连续变形的物质。 牛顿流体（newtonian fluid）:变形速率与剪切应力成正比例的流体。 流体的黏滞性：流体抵抗剪切变形的能力。度量：黏度。从微观的角度看，其本质是反映质点间作用力大小。描述流动时内摩擦。 影响粘度的因素：在高出熔点不太多的温度范围内，tn下降，流动性好。一般的趋势是熔点愈高，粘度愈大，但Sb和Mg例外。固态杂质使液态金属粘度升高，因为固态杂质增加流体内摩擦。11. 界面：相与相间的分界。

4、表面张力：表面上单位长度受的力。使表面变形需要做功。由于内部分子原子的吸引，在液体自由表面上存在表面张力是最直观的物理现 象，它使液体表面积趋于最小。界面自由能：单位面积上的界面能量。V = Q表面自由能为O （J/m2）的表面具有大小为O （N/m）的表面张力。一般的趋势是熔点愈高，表面张力愈大，但B例外。Laplace方程：AP = y (丄+丄)对于球形界面，rl=r2=Rr r1Laplace方程的应用-最大气泡压力法测量表面张力p = Pgh + 一maxr2c(金属液面下h处，半径为r的球形气泡所受总压力P) P = Pgh + P t +AP二pgh + P t + tmatmr

5、a)b)接触角cos0 =slYLVa) 0 90。，液体不湿润固体二. 1.对于恒温和恒容下，使用A作为判断标准。对于恒温和恒压下，使用G作为判断标 准。 G=0,则系统处于平衡状态。 Gv0,相变倾向于自发进行。 G0,相变将自发地 朝相反方向进行。2. 熔化熵 S= H/ Tm =L/ Tm熔化吸热， H为正；实验证明，大多数金属： S R (8.31 Jmol-1 K-1 )，摩尔气体常数 称为Richard法贝鴨 物质在冷却到平衡熔点以下继续保持液态，称为过冷(supercooling)。凝固过程在温度低于熔点(液相线温度)情况下才可能发生。过冷度|AT = T - Tm凝固驱动力：

6、是固态和液态的自由能差。是由过冷度提供的；过冷度越大，凝固驱动力越大。 AG _= -LATTTmm3设成分为XB系统，a、B两相结构，a、B两相浓度分别为Ca、Cp，系统的平均自 由能G?两相平衡浓度？a、p两相浓度分别为Ca、Cp，二相自由能相应在G曲线d、e两点。作溶液的平均浓 度XB的垂直线。垂线与de线的交点h的高度XBh等于系统的平均自由能Go4. A、B两组元形成a、P两相，平衡的热力学条件：各相的温度T、压力P和每个组元在各个相的化学位P必须相等。Ta =邛Pa =P0|j Aa = p A0 , |j Ba =p B0使用自由能作为判据时，平衡条件是在一定的温度和压力下，一个

7、封闭系统（成分和质量固 定的系统）的自由能处于可能的最低值。5. 在常温常压下，石墨是碳的平衡结构，是稳定相，金刚石是亚稳相。6. （ dT） _ T AVdP eq 一 AHClausius-Clapeyron方程 压力增大，熔点升高例：估计压力变化10kbar引起的铜的平衡熔点的变化。已知液体铜的摩尔体积为8.010-6m3/mol，固态为 7.610-6 m3/mol，熔化潜热 Lm=13.05 kJ/mol，熔点为 1083 C。AT _ T AVT AVAP =THAT 二飞旷 0将各已知量代入:A T _ 41 .56 K三. 1.凝固得到的固体可以是晶体或非晶体，但是结晶得到的只

8、能是晶体 结晶-形核和生长两阶段，新界面生成和推移长大；形核分为均质形核（在整个区域均匀自发形核）和异质形核（在基底上形核，是主要方式） 新核的体积自由能下降-形核动力；界面能构成形核阻力临界晶核半径/二2% =去几几AG卩 LKTr$ r *的原子集团就是晶胚，晶体长大才能稳定进行； T越大，r*越小； T不能为0；3AG 二气 =4jir* crT 空3(AGj 3Lb形成临界晶核需要克服的能量障碍:1/3临界晶核界面能一理解过冷是结晶的前提条件 异质成为基底的条件：湿润角e小、基底与新相的同型性异质形核是细化晶粒的重要方法2. 固-液界面存在两种可能的结构：粗糙界面-界面厚达几个原子层，

9、界面区域内发生固液转变, 两相共存；光滑（平整）界面-原子尺度上，固相存在平整的、原子紧密堆积排列的界面（平 直的小平面），也称具有小台阶的界面。确定固-液界面结构类型的准则：界面自由能最小界面结构类型判据 a-Jackson因子能量取决于a和X： aW2, X=0.5时， Gs=min,粗糙界面；a$5, X 0或1时， Gs=min， 光滑界面；在两者之间为混合状态；（X-节点占有率）四. 1.凝固区域：液相区、固液态区域、固相区、中间层、铸型 其中固液共存区域称为糊状区或凝固区域 按糊状区宽度，凝固有两种凝固方式：逐层凝固方式-糊状区很窄；糊状凝固方式-糊状区较宽；两种方式没有严格的界线

10、，凝固区域宽度由凝固动态曲线中液相边界和固相边界之间的纵 向距离直接判断。影响因素：结晶范围和温度梯度影响规律：结晶温度范围越小，温度梯度越大，越趋向于逐层凝固。反之趋向于糊状凝固。 合金确定后，凝固方式便由G决定。2与金属相比，砂型的热阻大，是传热系统控制环节通过控制最大热阻元素-气隙达到控制凝固目的3. Chvorinov 法则凝固时间8，凝固系数K，铸件体积V,铸件表面积A例1：比较同样体积大小的球状、块状、板状铸件的凝固时间。解：V球=块=板；S球vS块vS板R=V/S, R球R块只板根据：0 =（R2有T球T块T板K丿J1J J冒必r/g0250zz0 300例2 :砂型铸造圆柱形铸

11、钢件（单位为mm）。根据工艺需要加设冒口。如凝固系数为 0.9cm/min1/2，分别估算计算和不计算冒口时，铸件凝固完毕所需的时间。解 根据 Chvorinov 法则，T =（V/S）2/K2，计算冒 口时：V =50 n （25） 2/4 +35n （152+12.52+15x12.5）/3=45390cm3, 散热面积 S = 2n （25/2）50 +n （25/2） 2 +n （15-12.5） 2+352 1/2 （15+12.5）= 7449 cm2, V/S = 6.09cm;故T = （V/S）2/K2 = （6.09/0.9） 2 = 45.8 min.不计算冒口时：38.

12、7 min.请自行完成五. 1.与凝固过程有关的三类流动现象：充型过程熔体流动P2.雷诺数Re =-颗粒在熔体中的沉浮 凝固过程液相流动阻力系数C = 2FA-颗粒在垂直于运动方向的平面上的投影面积（m2）P AV 2F-作用在垂直于颗粒运动方向的平面上的单位面积上的阻力（N）流体流动分为层流、过渡状态、紊流当雷诺数Rep小于2,即流动缓慢时，阻力系数与雷诺数成反比，有C=24/Rep 这个区域称为缓慢流动区或斯托克斯定律区。斯托克斯（Stokes）公式球形颗粒F=6nrV令作用于颗粒F动=F阻，可求出沉降（上浮）终速V2r 2V =師(P P -P L ) g -2-1 V流体与颗粒的相对速

13、度（m/s） p -熔体密度（kg/m3） d-颗粒直径（m）|J -熔体的粘度（Pa s）F =兀r3(p - p )g = 6兀rVp3plP：颗粒密度L：溶体密度1、2式结合令Re=2可求最大夹杂物直径应用Stokes公式计算运动速度后，应当核算Rep数。如果Rep 2,不能应用Stokes公式（适用于 Rep 2 )。 过渡区：2WRepW500,C185Reo.6500WRepW2X105，阻力近似为常数，C0.44，称为牛顿定律区。 3.凝固过程液相流动现象存在三种力驱动凝固过程液相流动： 密度差f自然对流（natural convection）外力f强逼对流（forced con

14、vection）界面张力f界面张力流4. 糊状区处理方法有两个：达西定律：流速=渗透率K X 压力梯度P体积平均方法5. 充型过程熔体流动，结构如图1.浇口杯2.直浇道3.横浇道4.内浇道5.分型面6.下半型铸件7.上半型铸件六. 1.结晶材料的组织特征： 晶粒（尺寸、形状、取向）、亚结构（元素分布形态、枝晶结构）2. 铸态晶粒有柱状晶和等轴晶两种形态 铸态宏观组织：表层激冷细晶粒区（铸件表层常常由很细的等轴晶组成，称为激冷层） 柱状晶（生长方向：与散热方向相反、以枝状晶方式长大、择优生长-柱状晶生长的机制） 中心等轴晶（不呈现方向性）3. 影响晶粒结构的因素成分（结晶温度范围窄的合金一般为逐

15、层凝固方式，有利于形成柱状晶。凝固时固液共存区 域宽的合金，倾向形成等轴晶）热流（主要考虑冷却速度-冷却速度越高，凝固速度越大，凝固组织越细化和G/R值） 熔体状况（异质核的数量和熔体结构两个方面。一般地，晶粒尺寸将随熔体过热度增高而增 力口，并有利于柱状晶生长）流动（所有促使晶体脱落和保全的因素，都有利于获得等轴晶，熔断分枝、消除过热） 溶质富集，熔点降低，缩颈，熔断。4. 微晶 纳米晶准晶（长范围取向有序、亚稳相） 非晶态（玻璃，快冷无序效应，存在短程序，亚稳态）5控制热流，细化等轴晶熔体处理：孕育（变质）齐U-增加晶粒机制1）加入细化晶粒的合金元素2）孕育（剂）处理 阻碍晶体长大机制：变质（剂）处理扰动：振动与电磁搅拌-细化晶粒，消除柱状晶6细等轴