第一讲凝固理论的发展概论.ppt

河北联合大学冶金与能源学院 第一讲 凝固理论的发展概论 第一节 什么是凝固 从工业生产到固态物理,在这些领域的许多过程中，凝固(solidification) 现象都起着重要的作用。从成吨的大型铸锭，到中型的超合金精密铸 件，直至相当小的高纯度晶体(crystal)，都涉及到凝固。 【凝固】物质从液态转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的物质为晶态， 则凝固过程叫结晶。 【因素】结晶与否由液态物质的黏度和冷却速度决定。 黏度小，冷却速度慢容易结晶； 黏度大，冷却速度快则容易得到非晶态物质。 【微观实质】 从微观来看，凝固就是金属原子(atom)由“近程有序(short range)”向“远程(long-distance)有序”的过渡(transition)，使原子成为按一定规则排列的(tactic)晶体；纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的。原子集团由数量不等的原子组成，其大小为10-10m数量级，在此范围内仍具有一定的规律性，成为“近程有序”。 【宏观现象】 从宏观(macrocosmic)来看，就是把液态金属储存(deposited)的热量(quantity of heat)传给外界而凝固成一定形状的固体。 凝固技术是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。其目标是以尽可能简单、节约、高效的方法获得具有预期凝固组织的优质制品。 【传输过程】传热、传质（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演变规 律及交互作用决定着凝固进程、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一系 列凝固新技术的产生，如定向凝固、快速 凝固、连续铸造、连铸连轧、半固态铸造、 铸造法复合材料制备技术、电磁场控制铸 造、微重力凝固等。这些凝固技术不仅使得 传统材料性能得到超常的发挥，还推动了各 种新材料的研制和发展。 金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通 过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后 获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型 材、棒材、板材和线材。 第二节 凝固理论的发展阶段 第二节 凝固理论的发展阶段 Historically, simple cast objects (in copper) first appeared before about 4000BC (Bronze Age) and were, no doubt, a natural by-product of the potters skill in handling the clay used in furnace and mould-making. The lost-wax (investment casting) process was developed in Mesopotamia as long ago as 3000BC. The production of renowned and highly sophisticated bronze castings of China began in about 1600BC. Iron-casting in China began in about 500BC (Iron Age) but in Europe cast iron did not appear 1902 until the 16th century 近代凝固理论大约经历了以下几个阶段: 【阶段一】20世纪60年代前诞生了经典的凝固理论 （1）1945-1950年美国哈佛大学D.TURNBULL将Volume-Webber-Becker-Doring形核理论引入凝聚态体系，创立凝固过程形核理论该理论认为凝固首先是成核，接着是核心长大直至成为固态。 （2）在多伦多大学B. Chalmers的指导下，许多著名的凝固学家脱颖而出。他们在对凝固界面附近溶质分析求解的基础上，总结出“成分过冷”理论，并提出了可操作性的成分过冷判据：首次将传热和传质耦合起来，研究其对晶体生长方式和形态的影响。1961年出版了国际上第一本凝固理论专著“Principles of Solidification” （3）Flemings（MIT）等从工程的角度出发，研究了两相区内液相流动效应，提出了局部溶质