第一章 凝固科学技术与材料发展

金属凝固理论

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主要参考资料

1）李言祥. 材料加工原理，清华大学 出版社，2005.10 2）胡汉启. 金属凝固原理. 机械工业 出版社，1991.5

3）柳百成. 21世纪的材料成形加工技 术与科学.机械工业出版社，2004.3

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1 凝固科学技术与材料发展

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本章主要内容 一.了解凝固的特点 二.了解凝固科学形成的标志性成果

三. 了解凝固科学技术与材料发展的关系

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1.1 凝固的特点及凝固技术的发展

1.1.1 凝固的特点

凝固：液体转变为固体的过程。是一种极为普 遍的物理现象。几乎一切金属制品在其生产流 程中都要经历一次或多次的凝固过程.

凝固与结晶（一次结晶）的区别：凝固是一种 状态的转变，结晶不仅状态改变，而且发生晶 体的析出。通常是指晶体材料的凝固。

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材料凝固的特点：凝固过程具有很宽的冷却范围 。冷却速率：从极慢的10-6K/s到超高速的1011K/s

凝固加工的冷却速度范围与特点

冷却速度范围 冷速(K．S-1)及类型 10-6—10-3 慢冷 10-3—100 中等冷 速 100—103 近快速冷 却 典型生产加工过程 枝晶臂间距(μm)

大型铸件和铸锭 小型铸件铸锭、连续铸 坯和铸棒 带状铸件、压铸件，粗 大型粉末优质铸件、喷射成形 铸件、半固态铸件、复合材料 铸件 甩带、电子束和激光表 面熔化

5000—500 500—50 50—5

103—109 快速冷却

5—0．05

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1.1.2 凝固技术的发展

一、凝固工艺的发展 从铸冶工艺（不控制）→常规可控凝固（加冷 铁、冒口，提高铸件致密性）→定向凝固（改 变组织形态，如单晶）→快速凝固（形成非晶） →空间凝固（无重力、无偏析）→超常凝固 （高压凝固，改变材料的熔点）；

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二、凝固材料体系的发展

从结构材料→功能材料→结构功能材料； 从金属（合金）→金属间化合物→金属基 复合材料→金属/非金属复合材料； 从多晶→单晶→微晶→非晶。

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1.2 凝固科学的形成 20世纪40年代前，无公认的凝固理论。下列 凝固理论推动了凝固学科的发展。 一、液固相变形核理论

20世纪40-50年代，Turnbull和Fisher在经典形 核理论基础上，建立了液固相变形核理论。指 出晶核形成速率I是温度、临界晶核形成功ΔGc 和原子液固相变激活能ΔGb的函数。

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I=A· exp（-ΔGb/Kt）·exp（-ΔGc/Kt）

二、成分过冷理论 1953年哈佛大学教授Chalmers及其合作者对 金属凝固中液固界面形态的仔细考察，提出 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：

G mc0 (k 1) V kD

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G-温度梯度，V-凝固