一 凝固理论的发展概论PPT课件

.1，第一回凝固理论的发展概论，第一节从产业生产到固体物理，凝固现象在这些领域的许多过程中发挥着重要的作用。 从成吨的大型铸锭到中型的超合金精密铸件，到相当小的高纯度结晶(crystal )，凝固都有关系。 【凝固】物质从液体变为固体的过程叫做凝固。 如果凝固的物质是结晶，那么凝固过程叫结晶。 【要因】有无结晶化取决于液态物质的粘度和冷却速度。 粘度小、冷却速度慢时容易结晶化； 粘度高，冷却速度快容易得到非晶物质。 从微观上看，凝固是金属原子(atom )从“短程有序”向“远程有序”迁移，使原子成为一定规则排列的(tactic )结晶的纯金属的液态结构由原子集团、游离原子、空穴或裂纹构成。 原子集团由数量不同的原子构成，其大小为10-10m的数量级，在该范围内还有一定的规律性，成为“近程秩序”。 【宏观现象】从宏观(macrocosmic )来看，是将液态金属贮藏(deposited )的热量(quantityofheat )传递到外部凝固成一定形状的固体。 凝固技术是基于凝固理论进行凝固过程控制的工程技术，在各种凝固过程控制手段中的综合应用。 其目标是尽量以简单、节约、高效的方式获得具有预期凝固组织的优质产品。3、【传输过程】传热、传导物质(溶质扩散)和动量传输(对流)【物理场】重力场、电磁场等。 这些过程和场量在凝固过程中的变化规律和相互作用决定了凝固过程、凝固组织形态和成分分布。 【凝固技术】各种凝固过程控制方法的应用导致定向凝固、快速凝固、连铸、连铸轧制、半固体铸造、铸造复合材料制造技术、电磁场控制铸造、微重力凝固等一系列凝固新技术的产生。 这些凝固技术不仅超常发挥了传统材料的性能，还推动了各种新材料的开发和发展。 凝固过程通过各种传输过程和物理场的控制来实现。4、金属和合金的生产、制造一般经过熔炼和铸造，通过熔炼得到要求成分的液态金属，浇铸到铸模中，凝固后得到铸锭或成型的铸件，铸锭经过冷热变形制成各种型材、棒材、板材和线材。 5、第二节凝固理论的发展阶段，我国冶金铸造技术已有5000多年的历史：前3000年是青铜器时代，后2000年是铁器时代。 铜器和铁器的制造是典型的熔凝过程。 商朝“钟鸣鼎食”是当权者的象征。 司马迁论人出类拔萃，富甲方面，真有卓越的毅力。 人精力充沛地计算，勤俭节约，是致富的正道，所以致富者也要取得惊人的胜利。 耕田农业是重劳动，而秦杨是州的首富。 挖墓盗墓的是强奸犯科，田叔叔以此为契机繁荣起来。 赌博本来是不良行为，但是桓发以来就很有钱。 沿街叫卖男人安业，雍乐富裕了。 卖脂卖油是耻业，雍伯利益为女儿。 卖水糖浆书是小本经营，张先生为赚钱赚千万美元。 磨刀磨剑是雕刻的技巧，郅氏在那一排绝食。 卖羊胃肉是不够的，浊氏骑着车马。 为马治疗是浅医疗技术，张里鸣钟吃。 他们都一心一意地发了财。 钟鸣鼎食的成语，是从这个故事发展起来的。 古代豪门贵族在吃饭时演奏钟声，顶端拥有各种各样珍贵的食品。 所以用“钟鸣鼎食”形容了当权者豪华的立场，以前形容了富贵家庭的生活奢侈豪华。 韩张衡西京赋 :“打钟鼎食，骑过。 唐王勃滕王阁序 :“阎地，钟鸣鼎食之家”，6，第二节凝固理论的发展阶段，曾侯乙是名乙的曾国大名王。从楚惠王送给他的青铜镕上的31字铭文可以推测，曾侯乙在公元前433年稍晚死亡，通过测定其尸体的碳14，曾侯乙的死亡年代在公元前433年到公元前400年之间，他的死亡年龄在4245岁之间。 综合考察其他资料，曾侯乙出生于公元前475年或稍晚一点，公元前463年左右成为大名王，在位约30年。 出土文物表明，曾侯乙生前非常重视乐器的制造和音律研究，兴趣广泛，同时也是一位擅长车战的军事家。 1978年在湖北省随县出土的曾侯乙青铜器编钟，64件分为8组，可以演奏中外名曲。 距今2400多年前战国初期铸造的。 北京大钟寺的永乐大钟是明永乐18年(公元14181422 )铸造的，重46t，高5.84m，外径33m，内径2.9m。 钟的内外大约铸有22700个线条清晰的经文。 那钟声优雅悦耳，能传达数十里，是世界上最好的。 由此可见，当时青铜的化学成分和凝固过程的控制已经达到了很高的水平。7，1978年在湖北省随县出土的曾侯乙青铜器编钟，永乐大钟声传90里，8，Historically，simplecastobjects (in copper ) firstappearedbeforeabout 4000 BC (bronze age ) and was， no doubt anaturalby-productofthepoterskillinhandlingtheclayusedinfurnaceandd-making.the lost-wax (investentcasting ) processwasdevelopedinmenmesopotamiaslongagoas 3000 BC.theproductionofreneondddnhyspofisticationsofchinababageninabout 1600 BC.IRP nin about 500 BC (iron age ) butineuropopecastirndidnotappear 1902 until the 16 th century， 近代凝固理论是20世纪60年代前产生的经典凝固理论(1)1945-1950年美国哈佛大学D.TURNBULL将Volume-Webber-Becker-Doring形核理论引入凝固状态系统，建立凝固过程形核理论认为凝固首先成核，接着是核(2)在多伦多大学B.Chalmers的指导下，众多着名的凝固学者尤为突出。 他们在求解凝固界面附近溶质分析的基础上，总结了“成分过冷却”的理论，提出了可操作成分过冷却的判断标准：首次结合传热与传质，研究了其对晶体生长方式和形态的影响。 1961年出版国际首部凝固理论的principlesofsolidification(3) flemings (MIT )等从工程角度研究了两相区内的液相流动效应，提出了局部溶质再分配方程等理论模型来推动凝固科学的发展。 (4)捷克的Chvorinov通过大量凝固冷却曲线的分析，导入铸件模块(模块理论指铸件凝固时间依赖于体积与传热表面积之比，该比称为凝固模块，简称模块，用M=V/A(cm )表示)的概念，将铸件凝固层的厚度与铸件凝固时间该法则是当今铸造工艺设计的重要理论依据之一。 出现了、222222222222222222220000000653先进的凝固技术和材料形成方法，积累了大量凝固过程参数，为凝固学的进一步发展奠定了基础。 包括：快速凝固； 定向凝固； 等离子熔炼技术激光表面再熔炼技术半固态铸造； 扩散铸造； 调压铸造。定向晶体装置的原理图，11， “阶段3”近代凝固学的发展进入新的历史时期，对凝固过程的认识逐渐脱离经验主义，进一步认识到古典理论的局限性： (1)受到日本大野笃美、北大西洋冰山的启发，在氯化铵水溶液中模拟钢水凝固进行了大量实验研究，提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论， 发现了凝固尖端“过冷度减少”的概念，使人们发展成从静止的角度、动态的角度分析凝固过程。 1973年出版了金属凝固学。 (2)1965-1968牛津大学材料系J.D.Hunt教授创立了J-H古典共晶生长理论(3)1982年哈佛大应用科学部M.J.AZIZ博士提出了快速凝固溶质阻止理论(4)尤其感兴趣的是，随着干式计算机和计算技术的发展，液态金属(合金) 的凝固过程可以定量描述，预测凝固过程和凝固缺陷采用凝固过程的数学模型和计算机辅助设计的方法可以有效地控制凝固过程，以最小的投入，获得较大的产量。 在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。 这些结合温度场、应力场、流场进行研究，其结果更接近现实。12、国内随后研究开发的凝固模拟软件，广泛应用于科学研究和实际生产。 国内学者近年来在凝固学方面取得了重大进展，中国已成为国际凝固过程研究的重要成员之一。 西北工业大学凝固技术重点实验室发现凝固组织形态选择的时间相关性与历史相关性现象，实验验证了一定条件下枝晶生长间距也不是唯一的。 中国科学院沈阳金属研究所在快速凝固和非平衡合金国家重点实验室，在超高温条件下研究了非晶形成规律，发现了一种新的具有准稳定相和分形结构的自组织。13、(1)金属材料的制备；(2)金属材料的成形加工；(3)无机非金属材料的合成和结晶长度；(4)非平衡新材料的开发；(5)凝固过程的多尺度、多学科建模和模拟。第三节金属凝固过程的研究对象、研究对象、14、(1)【凝固组织的形成与控制】凝固组织包括晶粒的大小、形态等，是长期寻求自由获得所需组织的目标之一。 (2)【凝固缺陷的防止和控制】液态晶体的收缩可以形成收缩孔、松弛，结晶中的固相和液相中的再分配会引起偏析缺陷，冷却中的热应力集中可能会引起铸件的裂纹。 在各种凝固成形方法中，如何与缺陷作斗争仍是重要的基本问题。 (3)【铸件尺寸精度和表面粗糙度的控制】铸件尺寸精度和表面粗糙度受凝固成形方法和工艺中诸因素的制约和影响，其控制非常困难，这阻碍了近纯制品铸造技术的发展。 第四节凝固过程的基本问题，基本问题，15，(1)【数学分析方法】数学分析包括数学模型的构建和数学方程的求解。 建立数学模型后，必须找到解决条件。 这些解决方案包括几何形状、边界和初始条件。 (2)【数值计算方法】对于已经建立的数学模型没有找到解析解的情况下，采用数值计算方法是解决问题的有效方法。 数值计算方法首先需要离散处理现有数学模型，将连续变化过程转化为离散数值点，将一个凝固问题转化为计算问题。 现代计算机技术和计算方法的发展可以用数值计算方法解决能够找到数学模型的问题。 (3)【实验方法】实验不仅能验证理论模型的合理性，对于找不到数学模型的过程，采用实验方法是解决问题的有效手段，但受铸件尺寸、实验费用、场所、测试技术和方法的制约，有时无法直接测试实际凝固过程。第五节凝固过程的研究方法、研究方法、16、(1)【凝固是金属材料生产过程中材料冶金质量控制的重要环节】铸坯凝固质量不仅影响后续加工工艺，也对最终产品性能产生重要影响。 (2)【凝固过程和控制是制造业的基本方法和关键技术之一】铸造技术能够以低成本生产复杂的形状构件，成为机械制造业的关键技术。 (3)【凝固是开发新材料的重要手段】凝固技术是开发非平衡凝固非晶、准晶、纳米等非平衡新材料的重要途径。 (4)【控制熔融是新材料合成和材料加工的重要手段】熔融过程的应用主要体现了溶质在半固态加工过程中的扩散、液相形成和分布以及固相形态的控制。 熔焊过程中熔区的形成和固相界面的微观形态控制。 在化合物材料的合成过程中，出现了化学反应、扩散、熔融和凝固结合进行的过程。 研究熔融末期各种难溶质点和原子团在熔体中的存在及其稳定性对凝固组织中的晶粒控制和非晶材料的制备具有重要意义。 综上所述，凝固过程和控制及其相关熔融过程的研究是决定金属材料制备水平和新材料研发能力的重要技术科学领域。 第六节利用凝固学科的战略地位、战略地位、17、(2)凝固技术制备具有复杂组织和相变过程的新材料。 (3)液态金属结构的进一步公开包括：用新方法预处理合金液，控制凝固组织；(4)利用多个物理场耦合与凝固组织进行过程控制；(5)采用新的加热和冷冻方法更有效地控制凝固过程的热平衡条件；(6)远平衡条件下准稳定相的凝固； 通过研究化合物晶体材料凝固界面过程、凝固过程晶体结构缺陷的形成和演化等深层次过程和现象(7)多尺度、多学科凝固过程的建模与模拟及其控制(8)熔融过程的基本原理，发展新材料的制备、加工、合成及组织控制新技术(9)多相多相合金的凝固理论研究。 现代凝固理论在单纯二元合金的研究中取得了重大进展，但对工业上最有前途的多相合金体系凝固过程的认识是非常有限的(10 )复杂系合金的液态结构和凝固行为的热力学和动力学研究。 多组元合金液中存在极其复杂的物理化学过程、不同元素间的相互作用、原子团簇的形成和演化，以及固相微粒及其稳定性等。 揭示合金的微观结构和演化规律是先进材料非平衡制备和凝固组织控制的科学基础。 为此需要重点研究的课题是(11 )高性能铸件的精密成形原理和技术。 精密化、薄壁化、轻量化、整体化、复合化和高性能化代表了铸件生产的发展方向，进一步阐明了第七节凝固学科的发展趋势和理论问题、发展方向、18、(1)凝固过程的深刻自然规律。 探索多组元素合金凝固规律及其描述方法、物理场与温度场相结合的凝固行为、快速、快速、高压等极端条件下的凝固行为(2)发展凝固过程的控制技术，促进金属材料制造过程的技术进步。 以控制、提高原材料冶金质量为目标，发展先进的凝固控制新方法，使金属材料生产过程向清洁、高效、低能、高质量的方向发展(3)发展成型控制与组织控制一体化的新技术。 实现铸件和焊接结构形状、显微组织和力学性能的精