[材料科学]凝固原理.doc

 凝固部分 讲义 2008年2月 第一章 液态金属的结构 1 第一节 固态金属的结构 1 第二节 液态金属的结构 2 第二章 液态金属的充型能力 5 第一节　液态金属充型能力的基本概念 5 第二节　液态金属停止流动机理及充型能力计算 7 第三节 影响充型能力的因素 9 第三章　铸件的凝固 12 第一节　传热的基本方式 13 第二节　铸件的温度场 13 第三节　 铸件的凝固方式 19 第四节　金属的凝固方式与铸件质量的关系 21 第五节　铸件的凝固时间 23 第四章　液态金属凝固的基本原理 25 第一节　液态金属的结晶过程 25 第二节　生核过程 25 第三节 晶体生长界面动力学过程 31 第四节 单相合金的凝固 37 第五节 成分过冷 42 第六节 成分过冷状态对凝固界面形态的影响 45 第七节 共晶合金的凝固 49 第五章 铸件(锭)的宏观组织 55 第一节 铸件(锭)宏观组织及形成机理 55 第二节 铸件（锭）结晶组织的控制 58 第六章 　铸件化学成分的不均匀性 63 第一节 微观偏析 63 第二节 宏观偏析 63 第七章 铸件中的气体 66 第一节 气体的来源、存在方式和影响 66 第二节　气体在金属中的溶解和析出 66 第三节　析出性气孔 67 第四节 反应性气孔 69 第八章 铸件的收缩 70 第一节 铸造合金的收缩 70 第二节 铸件中的缩孔和缩松 72 第九章 铸造应力、热裂、变形及冷裂 74 第一节 铸造应力 74 第二节 热裂、变形及冷裂 75 第一章 液态金属的结构 铸造是将熔化成液态的金属浇入铸型后一次制成需要形状和性能的铸件，亦即铸造是使金属的状态按着“固态→液态→固态”变化而成形的。金属由液态→固态的凝固过程中的一些现象，如结晶、溶质的传输、晶体长大、气体溶解和析出、非金属夹杂物的形成、金属体积变化等都与液态金属结构及其物理性质有关。因此，了解液态金属的结构，是控制铸件形成过程的必要基础。 第一节 固态金属的结构 1.双原子模型 在任何晶体中，两个原子的相互作用力或相互作用势能与他们之间距离的关系如图1-1； 当两个原子相距无穷远时,相互作用力为零，当相互靠近时原子间产生吸引力，并随距离的缩短而增大，同时排斥力也增加。二力相等的位置叫平衡位置。 图1-1 A和B原子作用力、势能和原子间距之间的关系 当RR0时，F斥F吸， 表现为斥力； 反之, 表现为吸力; 当R=R0时，F斥=F吸，处于平衡状态； 从能量上来说，此时，对应于相互作用能的极小值，达到平衡状态。 2. 加热时的特性 温度升高，原子的振动能量增加，原子振动频率和振幅加大，原子平衡间距增大，空穴数量增加，表现出体积的膨胀。 3. 金属的熔化 1）金属熔化的标志为温度不变，大量吸热，由固态转变为液态，体积增加３～５％。 2）内部的改变表现为晶界空穴大量增多，使晶粒相互脱离、相对移动，表现出粘度剧减，许多物理性能突变。 第二节 液态金属的结构 液态金属到底是什么结构？目前所得到的对液态金属的全部认识，没有一项来自于直接的观察; 如何合理地推知液态金属的结构，首先应对其呈现的一些物理现象进行认真的分析。 1）固——气转化，100%（气化潜热），而固——液转化时，熔化潜热仅占３～５％的气化潜热。 2）固——气转化，体积无限膨胀，而固——液转化时，体积增加３～５％。 3）温度不变，熵值突然增大。 4）X射线衍射表示，近距离原子分布与固体相似，远距离原子分布变得更均匀。（如图1-2所示） 图1-2 气体、固体、液体的结构示意 图1-3 液体结构模型 与气相比较，只有很少一部分原子完全脱离约束；与固相比较，结构表现出一些固相特征，且比固相明显混乱和复杂，如图1-2和图1-3所示。 可以认为，液态金属是由许多“原子集团”组成，其中原子呈与原固体“显微晶体”类似的规则排列，热运动激烈，原子集团时聚时散，空位较多。 但实际金属比上述现象复杂得多，因为1)工业应用的金属主要是合金，而且是多元合金； 2)原材料中存在多种多样的杂质，有些杂质的化学分析值虽然不高，甚至低于数量级，但其原子数仍是惊人的；3)在熔化过程中，金属与炉气、溶剂、炉衬的相互作用还会吸收气体带进杂质，甚至带入许多固、液体质点。因此，实际金属的液态结构是非常复杂的。实际金属中，即使非常纯的实际金属中总存在着大量杂质原子。例如，纯度为99．999999％的纯铁、即杂质量为，每摩尔体积(7．1。)中总的原子数为 ，则每1铁液中所含杂质原子数约相当于个数量级。这些杂质往往不只是一种，而是多种多样的，它们在液体中不会很均匀地分布。它们的存在方式也是不同的，有的以溶质方式，有的与其它原子形成某些化合物(液态、固态或气态的夹杂物)。 实际