第一章上帝发誓地方

第一章凝固科学技术与材料1.凝固过程的含义及凝固研究的意义2.凝固技术的发展历史3.凝固理论体系的建立与发展4.凝固科学技术与材料发展5.凝固过程的控制及其研究的对象6.凝固理论研究的内容7.凝固过程的研究方法8.凝固技术的发展展望11.凝固过程的含义凝固：指从液态向固态转变的相变过程

水的结冰；火山熔岩的固化；铸锭、铸件的生产；非晶、微晶的快速凝固、半导体及各种功能晶体的液相生长。

几乎一切金属制品的生产流程中都要经历一次或多次的凝固过程，除了少数通过粉末冶金过程2凝固研究的意义：由于大部分金属制品都须经历一次熔化和凝固过程：初生凝固组织对产品的性能有决定性的影响，无论是对于液态下直接成形的铸件还是对后续经过塑性加工的棒材、板材或线材；一般认为锻造、轧制可以消除钢锭中的缺陷，但不能消除宏观缺陷，宏观偏析、缩孔、非金属夹杂、龟裂等。经塑性变形后表面上消除了，但仍作为残留存在于金属中。一般通过热处理能够消除大部分微观偏析，但不能消除宏观偏析，只要有不均匀的化学成分或组织就不能做为可靠性高的材料使用。制造无偏析、均匀细小的凝固组织、或单一柱状晶，人为自由地控制晶粒的形状、尺寸、分布一直是冶金技术人员的愿望。32.凝固技术的发展历史古代文明史上,凝固曾起过划时代的作用,铸冶工艺的应用和发展,使人类社会从“石器时代”进入“铜器时代”和“铁器时代”.凝固实践的长期积累,加上近代的研究使凝固逐渐成为现代材料科学与工程领域中一个重要的分枝.凝固理论与技术:铸冶工艺已历经几千年,但有关凝固的研究始于近代,最早的凝固文献289年前,20世纪40年代前尚未公认的凝固理论,从20世纪40年代以来工业及科技的发展,形成了以相关学科的科学理论为基础的凝固理论,及凝固技术.凝固技术的发展历程:铸冶工艺→常规凝固→定向凝固→快速凝固→空间凝固→超常凝固凝固加工的特点:

采用凝固过程可以有很宽的冷却速率范围(15~18个量级).大型铸件:10-6K/S,表面高能束快熔:1010~11K/S凝固材料体系:结构材料→功能材料→结构功能材料金属→金属间化合物→金属基复合材料多晶→单晶→微晶非晶43.凝固理论体系的建立与发展实现凝固过程的控制是人类由来以久的追求，可追溯到公元前4000年前后，青铜器时代。凝固技术的真正迅速发展是在二次大战结束后，由半导体材料硅晶体）的发展而带动下，建立了凝固过程的传质理论和传热理论，标志了凝固理论的诞生。凝固理论的研究大体上分为三个阶段：第一阶段：二十世纪，50~60年代：经典凝固理论的诞生。在一代大师Chalmers(加）的指导下，Tiller,Jackson,Rutter于50年代初提出了著名的成分过冷理论（在凝固界面前沿溶质分布求解的基础上）,首次将传质和传热问题藕合起来，分析凝固过程组织形态。Jackson和Hunt提出了枝晶和共晶合晶凝固过程扩散场理论，建立了枝晶间距和共晶间距与温度梯度和凝固速度间的关系。Flemings等从工程角度出发，进一步提出了局部溶质再分配方程等理论模型，以考虑两相区中的液相流动效应Chvorinov捷克工程师（俄裔）通过对大量铸件凝固冷却曲线的系统研究，提出铸件模数概念，导出著名的平方根定律。一直是铸造工艺设计的理论依据之一。5第二阶段：二十世纪，60年代以来：研究重点是经典的凝固理论。到70年代：日本千叶大学的大野笃美，提出的“凝固前沿过冷减小”、晶粒游离和增殖的新概念，对传统的成分过冷和等轴晶只靠形核长大的理论提出了挑战。以经典的凝固理论为指导取得的成果：实现了凝固过程的优化和控制，使大型铸钢锭和铸件的冶金质量得到提高；解决宏观偏析问题;产生了钢锭质量控制、连铸技术；快速凝固技术、定向凝固、半固态铸造工艺技术；积累了大量凝固过程的数据，为凝固技术的进一步发展奠定基础第三阶段：最近的20多年里，凝固过程的理论研究进入了新的发展历史时期。更清楚地认识到了经典凝固理论的局限性，开始了新的思考，推动力是：科学技术的发展而产生的极端凝固条件（快速凝固，极低速凝固，微重力、超重力，超高压凝固等）使得一些在普通凝固过程中影响很小，经典凝固理论于以忽略的因素变成了主要因素，需要建立新的理论模型；计算机技术的应用使得对过去理论分析和计算无法处理的问题求解成为可能。6凝固理论体系中的一些奠基性成果:(1)液态金属的形核理论:

20世纪40-50年代,Turnbull和Fisher在Volmer-Webber-Becker-Doring经典形核理论基础上建立了液固相变的形核理论:(2)晶体生长动力学理论

1951年,Burton和Cabrea在Frank非完整晶体生长理论的基础上建立了完整和非完整晶体光滑界面的结构模型与动力学理论(BCF理论),奠定了光滑界面生长的理论基础.(3)成分过冷理论

1953年哈佛大学Charmers等提出了界面稳定性概念和成分过冷理论,并导出了著名的成分过冷判据.首次从界面稳定性角度揭示了单向合金凝固结构出现复杂形态的内在原因.奠定了经奠凝固理论的基础.不足之处在于忽略了界面曲率和固液热物性参数的差别.(4)界面稳定性动力学理论

1964年,Mullins和Sekerka将流体动力学分析方法及干扰技术应用于凝固中界面稳定性问题提出了界面稳定性的线性动力学理论.7(5)共晶生长理论1966年Jackson和Hunt对正常共晶的藕合生长作了定量描述,提出了J-H模型,求解扩散场方程,得到界面过冷度与共晶间距的关系.(6)枝晶生长边缘稳定性理论结构材料中,枝晶生长的稳定性是关注的焦点,1977年,Langer和Muller-Krumbhaar在Ivantsov解的基础上,提出了边缘稳定性原理(LMK).枝晶生长中,尖端处于分叉不稳定和侧枝不稳定之间的一种边缘状态(7)快速凝固晶体生长理论快速凝固:界面局域平衡假设不成立,液相线斜率,扩散系数,溶质分配系数均是生长速率的函数.Kurz和Trivedi建立了快速定向凝固下尖端半径与生长速度关系的KGT模型.84.凝固科学技术与材料发展1)优质铸件的加工与控制凝固技术发展目标:净/近终形---采用新的凝固加工技术,挤压铸造,调压铸造,半固态铸造,连续铸造,精密铸造等.精确控形及组织结构的测控---纯净化,均质化,净终形,实现凝固过程的精确控制.凝固加工过程的数值模拟仿真----提高质量5-15倍,增加材料利用率25%,降低技术成本5-20%,缩短生产周期30~60%.航空航天熔模铸件世界面产量为52.3亿美元,美国为24.8亿,中国只占1.8亿2)定向凝固定向单晶叶片定向凝固:消除横向晶界或完全消除晶界,沿[001]方向生长.晶向择优控制定向凝固,按最佳的性能方向生长.超精细控制定向凝固---高温陶瓷晶体连续生长定向凝固----单晶连铸,制备准无限长(Cu)单晶93)晶体生长配比准确,极少缺陷的单晶体.采用熔体晶体生产方法使熔体在受控条件下有方向性地凝固,制备各种晶体.光学晶体,磁学晶体,半导体等.4)快速凝固是当前凝固科学与工程中最为活跃的领域之一.特点:高的冷却速率及明显的非平衡效应(界面特征,溶质分凝,传热传质条件,材料热物性等).利用不同组织结构，如:超细组织,亚稳相,微晶,纳米晶,非晶等满足使用条件对材料各种性能的要求.5)深过冷凝固借助于快速凝固和熔体净化的复合作用而得到的一种极端非平衡凝固.

快速凝固通过改变溶质分凝固(溶质捕获),液固相线温度及熔体的扩散速度等使合金达到深过冷状态;熔体净化则通过消除异质晶核使熔体达到深过冷状态.得到:超细晶,微晶,准晶,非晶(大块非晶—金属玻璃).6)超常凝固特殊条件或特殊环境下的凝固过程:空间,强电脉冲,超重力场,高压下,强电磁场下的凝固过程.如:微重力下配制难溶偏晶合金(Co-Cu)105．凝固过程的控制及其研究的对象

研究手段：实验数学解析数值模拟物理模拟相变热力学：相平衡界面化学平衡凝固动力学：溶质再分配形核生长化学反应传输现象：传热传质对流宏观组织（晶粒形态与尺寸）微观组织（亚晶界、枝晶间距、次生相）强化相的形态、尺寸、分布多相合金的相结构组织均匀性（宏观与微观偏析）组织致密性夹杂、气孔等应力、变形、开裂等晶体结构缺陷（点缺陷、位错、孪晶等）非晶、微晶、纳米晶、非平衡晶凝固过程理论模型控制手段：温度场控制（冷却方式）机械力；物理场：电磁力；超重力；微重力；超声波化学方法：晶粒细化；孕育处理；变质处理研究指导控制形状完整性力学性能物理性能化学性能建立揭示完善获得要求11凝固过程控制的目的：得到最理想的组织和性能、最低程度的缺陷、形状完整、具有一定的物理、化学、力学性能的产品。凝固过程研究的对象和方法：采用实验、数学解析、数值模拟或物理模拟的方法，在热力学、凝固动力学理论和三传（传热、传质、传动量）理论的基础上建立凝固过程模型利用建立的凝固过程模型对凝固组织（宏观、微观、强化相、相结构、组织均匀性）与缺陷（偏析、缩松、缩孔、夹杂、气孔、裂纹等）、结晶状态（非晶、微晶、纳米晶等）以及晶体缺陷（孪晶、位错、点缺陷等）进行预测根据对组织、性能和缺陷控制的需要：

1）改变凝固条件：传热（冷却速度）、传质条件；施加物理场（微重力、超重力、电场、磁场）改善传热、传质、对流条件；

2）化学方法（孕育、变质）控制热力学平衡和动力学过程126．凝固理论研究的内容（1）合金的化学成分

化学成分是决定凝固组织、成分分布、相结构形成倾向的首要因素。相图：在长期实验和理论研究的基础上获得的大量相图是对不同成分合金凝固特性进行预测的重要工具。合金凝固的类型：根据凝固析出相的规律将分为单相合金：凝固过程中只有一个相析出多相合金：凝固过程中至少有两个新相，液相或固相；或通过两个或多个相的反应析出新相（2）凝固过程的传热、传质和对流

决定了一定成分合金的凝固组织形成，因此是凝固理论与技术研究的重点。13（3）合金液的结构与合金液的预处理：过热、微合金化处理改变合金液的状态和结构，影响到凝固组织（4）凝固过程中的控制性环节

凝固过程控制性环节随研究对象尺度的变化而不同。小铸件：导热成为控制性环节，凝固速度快，扩散、自然对流作用不明显大型铸件：凝固中的自然对流是控制性环节，宏观偏析是研究与控制的主要问题。14（5）冷却速率对结晶形态的影响

不同凝固条件的冷却速率可相差十几个数量级。大型铸件约为：10-3~10-2℃/s

普通铸件约为：10-3~102℃/s

普通雾化工艺约为：103℃/s

快速雾化工艺约为：104℃/s

雾化沉积、单辊法和激光表面重熔的冷却速率可高达：106~109℃/s

不同冷速范围内凝固过程的主要矛盾变化，研究内容随之变化。

15（6）应用条件对材料组织、晶体结构的要求不同，凝过程研究的重点也不同，所采取的措施也有很大差别。总的来说：凝固过程研究的内容覆盖面很广，难以用一个统一的理论模型加以描述，因而导致了凝固理论和技术的多样化。

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7．凝固过程的研究方法

凝固过程是一个温度场、浓度场、流场相藕合的复杂过程凝固过程中涉及到传热、传质、液相流动、固相流动对固液界面的迁移和形态产生重要影响。数学解析法：（科学研究追求的最高境界是用一个最简单的方程概括纷繁复杂的现象）建立起一个精炼的数学模型是一个学科发展成熟的标示。数学模型的建立：寻找各种影响因素、参量之间的逻辑关系的过程。数学模型建立后，重要是能够求解析解寻找定解的条件包括：几何形状条件、边界条件、初始条件。事实上往往求解析解是困难的，有限的，需要借助于其它方法。

17数值计算：（是克服解析解法困难的、解决问题的有效途径）

是将一个凝固问题转变为计算问题。数值计算法：就是对已有的数学模型进行离散处理，将连续变化的

过程转变为离散的数值点（密度大，间距小），实验方法：

重要地是能够设计一个正确、成功的实验模型，通过模拟实验获取广泛的数据，得出一般性的规律。

所谓成功的实验：

1）实验方案设计合理、巧妙。即实验次数少而获得的数据和信息多；2）实验结果具有广泛性和普遍性；3）实验过程操作性好；4）实验过程和结论能够正确地反映所模拟的对象和实际，并能推广到实际中去。

188.凝固技术的发展展望凝固技术：以凝固理论为基础进行凝固过程控制的工程技术，是对各种凝固过程控制手段的综合应用，以尽可能简单、节约、高效地获得具有预期组织的优质铸件。(1)充分认识凝固科学与技术的综合性凝固科学兼有基础科学与工程应用的特征,凝固涵括了从铸件,晶体生长,粉末冶金,材料制备到焊接,半固态成形,连铸连轧诸多方面.(2)紧密结合材料发展的需求合金,金属/非金属间化合物,复合材料,人工晶体,纳米材料,超导材料,非晶及多功能陶瓷等.(3)加强新兴与超常凝固过程的研究开发(4)凝固过程的模拟仿真(5)大凝固科学的诞生.19铸件充型凝固过程计算机模拟仿真(简称CAE)是学科发展的前沿领域,是改造传统铸造产业的必由之路。历经数十年努力,铸件充型凝固过程计算机模拟仿真已进入工程实用化阶段,铸造生产正在由凭经验走向由科学理论指导。铸造充型凝固过程的数值模拟,可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测,在浇注前采取对策以确保铸件质量,缩短试制周期,降低生产成本。铸造CAE研究与开发起步于60年代,据统计国外已投入的研究与开发费用达数千万美元。经过几十年的努力,由于在以下三方面取得了重要突破,

铸件充型凝固过程计算机模拟仿真在工程上的应用才变为可能与现实:a1具有能处理三维复杂形体的图形功能;b1硬件及软件费用大幅度下降到铸造工厂能够接受;c1计算机操作系统及软件对用户友好(userfriendly),一般铸造工程技术人员稍加培训就可独立操作运行。铸造过程计算机模拟仿真的研究重点正在由宏观模拟走向微观模拟。微观模拟的尺度包括纳米级、微米级及毫米级,涉及结晶生核长大、树枝晶与等轴晶转变到金属基体控制等各个方面.2021加工过程与冷速及组织特点冷速范围名称加工过程典型厚度枝晶间距10-6~10-3极慢冷大型砂铸和人造晶体＞6m5~0.5mm10-6~100慢冷标准铸件,铸锭6~0.2m500~50μm100~103近快冷薄带,常规雾化200mm~0.2mm50~5μm103~106快冷细粉雾化\熔体挤/抽6mm~0.2mm5~0.5μm106~109超快冷喷射沉积,电子束集光表面处理200~6μm0.5~0.05μm22铸造行业对国民经济的发展有重