第一章上帝發(fā)誓地方

第一章凝固科學(xué)技術(shù)與材料1.凝固過程的含義及凝固研究的意義2.凝固技術(shù)的發(fā)展歷史3.凝固理論體系的建立與發(fā)展4.凝固科學(xué)技術(shù)與材料發(fā)展5.凝固過程的控制及其研究的對象6.凝固理論研究的內(nèi)容7.凝固過程的研究方法8.凝固技術(shù)的發(fā)展展望11.凝固過程的含義凝固：指從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的相變過程

水的結(jié)冰；火山熔巖的固化；鑄錠、鑄件的生產(chǎn)；非晶、微晶的快速凝固、半導(dǎo)體及各種功能晶體的液相生長。

幾乎一切金屬制品的生產(chǎn)流程中都要經(jīng)歷一次或多次的凝固過程，除了少數(shù)通過粉末冶金過程2凝固研究的意義：由于大部分金屬制品都須經(jīng)歷一次熔化和凝固過程：初生凝固組織對產(chǎn)品的性能有決定性的影響，無論是對于液態(tài)下直接成形的鑄件還是對后續(xù)經(jīng)過塑性加工的棒材、板材或線材；一般認(rèn)為鍛造、軋制可以消除鋼錠中的缺陷，但不能消除宏觀缺陷，宏觀偏析、縮孔、非金屬夾雜、龜裂等。經(jīng)塑性變形后表面上消除了，但仍作為殘留存在于金屬中。一般通過熱處理能夠消除大部分微觀偏析，但不能消除宏觀偏析，只要有不均勻的化學(xué)成分或組織就不能做為可靠性高的材料使用。制造無偏析、均勻細(xì)小的凝固組織、或單一柱狀晶，人為自由地控制晶粒的形狀、尺寸、分布一直是冶金技術(shù)人員的愿望。32.凝固技術(shù)的發(fā)展歷史古代文明史上,凝固曾起過劃時代的作用,鑄冶工藝的應(yīng)用和發(fā)展,使人類社會從“石器時代”進(jìn)入“銅器時代”和“鐵器時代”.凝固實(shí)踐的長期積累,加上近代的研究使凝固逐漸成為現(xiàn)代材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中一個重要的分枝.凝固理論與技術(shù):鑄冶工藝已歷經(jīng)幾千年,但有關(guān)凝固的研究始于近代,最早的凝固文獻(xiàn)289年前,20世紀(jì)40年代前尚未公認(rèn)的凝固理論,從20世紀(jì)40年代以來工業(yè)及科技的發(fā)展,形成了以相關(guān)學(xué)科的科學(xué)理論為基礎(chǔ)的凝固理論,及凝固技術(shù).凝固技術(shù)的發(fā)展歷程:鑄冶工藝→常規(guī)凝固→定向凝固→快速凝固→空間凝固→超常凝固凝固加工的特點(diǎn):

采用凝固過程可以有很寬的冷卻速率范圍(15~18個量級).大型鑄件:10-6K/S,表面高能束快熔:1010~11K/S凝固材料體系:結(jié)構(gòu)材料→功能材料→結(jié)構(gòu)功能材料金屬→金屬間化合物→金屬基復(fù)合材料多晶→單晶→微晶非晶43.凝固理論體系的建立與發(fā)展實(shí)現(xiàn)凝固過程的控制是人類由來以久的追求，可追溯到公元前4000年前后，青銅器時代。凝固技術(shù)的真正迅速發(fā)展是在二次大戰(zhàn)結(jié)束后，由半導(dǎo)體材料硅晶體）的發(fā)展而帶動下，建立了凝固過程的傳質(zhì)理論和傳熱理論，標(biāo)志了凝固理論的誕生。凝固理論的研究大體上分為三個階段：第一階段：二十世紀(jì)，50~60年代：經(jīng)典凝固理論的誕生。在一代大師Chalmers(加）的指導(dǎo)下，Tiller,Jackson,Rutter于50年代初提出了著名的成分過冷理論（在凝固界面前沿溶質(zhì)分布求解的基礎(chǔ)上）,首次將傳質(zhì)和傳熱問題藕合起來，分析凝固過程組織形態(tài)。Jackson和Hunt提出了枝晶和共晶合晶凝固過程擴(kuò)散場理論，建立了枝晶間距和共晶間距與溫度梯度和凝固速度間的關(guān)系。Flemings等從工程角度出發(fā)，進(jìn)一步提出了局部溶質(zhì)再分配方程等理論模型，以考慮兩相區(qū)中的液相流動效應(yīng)Chvorinov捷克工程師（俄裔）通過對大量鑄件凝固冷卻曲線的系統(tǒng)研究，提出鑄件模數(shù)概念，導(dǎo)出著名的平方根定律。一直是鑄造工藝設(shè)計(jì)的理論依據(jù)之一。5第二階段：二十世紀(jì)，60年代以來：研究重點(diǎn)是經(jīng)典的凝固理論。到70年代：日本千葉大學(xué)的大野篤美，提出的“凝固前沿過冷減小”、晶粒游離和增殖的新概念，對傳統(tǒng)的成分過冷和等軸晶只靠形核長大的理論提出了挑戰(zhàn)。以經(jīng)典的凝固理論為指導(dǎo)取得的成果：實(shí)現(xiàn)了凝固過程的優(yōu)化和控制，使大型鑄鋼錠和鑄件的冶金質(zhì)量得到提高；解決宏觀偏析問題;產(chǎn)生了鋼錠質(zhì)量控制、連鑄技術(shù)；快速凝固技術(shù)、定向凝固、半固態(tài)鑄造工藝技術(shù)；積累了大量凝固過程的數(shù)據(jù)，為凝固技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)第三階段：最近的20多年里，凝固過程的理論研究進(jìn)入了新的發(fā)展歷史時期。更清楚地認(rèn)識到了經(jīng)典凝固理論的局限性，開始了新的思考，推動力是：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的極端凝固條件（快速凝固，極低速凝固，微重力、超重力，超高壓凝固等）使得一些在普通凝固過程中影響很小，經(jīng)典凝固理論于以忽略的因素變成了主要因素，需要建立新的理論模型；計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使得對過去理論分析和計(jì)算無法處理的問題求解成為可能。6凝固理論體系中的一些奠基性成果:(1)液態(tài)金屬的形核理論:

20世紀(jì)40-50年代,Turnbull和Fisher在Volmer-Webber-Becker-Doring經(jīng)典形核理論基礎(chǔ)上建立了液固相變的形核理論:(2)晶體生長動力學(xué)理論

1951年,Burton和Cabrea在Frank非完整晶體生長理論的基礎(chǔ)上建立了完整和非完整晶體光滑界面的結(jié)構(gòu)模型與動力學(xué)理論(BCF理論),奠定了光滑界面生長的理論基礎(chǔ).(3)成分過冷理論

1953年哈佛大學(xué)Charmers等提出了界面穩(wěn)定性概念和成分過冷理論,并導(dǎo)出了著名的成分過冷判據(jù).首次從界面穩(wěn)定性角度揭示了單向合金凝固結(jié)構(gòu)出現(xiàn)復(fù)雜形態(tài)的內(nèi)在原因.奠定了經(jīng)奠凝固理論的基礎(chǔ).不足之處在于忽略了界面曲率和固液熱物性參數(shù)的差別.(4)界面穩(wěn)定性動力學(xué)理論

1964年,Mullins和Sekerka將流體動力學(xué)分析方法及干擾技術(shù)應(yīng)用于凝固中界面穩(wěn)定性問題提出了界面穩(wěn)定性的線性動力學(xué)理論.7(5)共晶生長理論1966年Jackson和Hunt對正常共晶的藕合生長作了定量描述,提出了J-H模型,求解擴(kuò)散場方程,得到界面過冷度與共晶間距的關(guān)系.(6)枝晶生長邊緣穩(wěn)定性理論結(jié)構(gòu)材料中,枝晶生長的穩(wěn)定性是關(guān)注的焦點(diǎn),1977年,Langer和Muller-Krumbhaar在Ivantsov解的基礎(chǔ)上,提出了邊緣穩(wěn)定性原理(LMK).枝晶生長中,尖端處于分叉不穩(wěn)定和側(cè)枝不穩(wěn)定之間的一種邊緣狀態(tài)(7)快速凝固晶體生長理論快速凝固:界面局域平衡假設(shè)不成立,液相線斜率,擴(kuò)散系數(shù),溶質(zhì)分配系數(shù)均是生長速率的函數(shù).Kurz和Trivedi建立了快速定向凝固下尖端半徑與生長速度關(guān)系的KGT模型.84.凝固科學(xué)技術(shù)與材料發(fā)展1)優(yōu)質(zhì)鑄件的加工與控制凝固技術(shù)發(fā)展目標(biāo):凈/近終形---采用新的凝固加工技術(shù),擠壓鑄造,調(diào)壓鑄造,半固態(tài)鑄造,連續(xù)鑄造,精密鑄造等.精確控形及組織結(jié)構(gòu)的測控---純凈化,均質(zhì)化,凈終形,實(shí)現(xiàn)凝固過程的精確控制.凝固加工過程的數(shù)值模擬仿真----提高質(zhì)量5-15倍,增加材料利用率25%,降低技術(shù)成本5-20%,縮短生產(chǎn)周期30~60%.航空航天熔模鑄件世界面產(chǎn)量為52.3億美元,美國為24.8億,中國只占1.8億2)定向凝固定向單晶葉片定向凝固:消除橫向晶界或完全消除晶界,沿[001]方向生長.晶向擇優(yōu)控制定向凝固,按最佳的性能方向生長.超精細(xì)控制定向凝固---高溫陶瓷晶體連續(xù)生長定向凝固----單晶連鑄,制備準(zhǔn)無限長(Cu)單晶93)晶體生長配比準(zhǔn)確,極少缺陷的單晶體.采用熔體晶體生產(chǎn)方法使熔體在受控條件下有方向性地凝固,制備各種晶體.光學(xué)晶體,磁學(xué)晶體,半導(dǎo)體等.4)快速凝固是當(dāng)前凝固科學(xué)與工程中最為活躍的領(lǐng)域之一.特點(diǎn):高的冷卻速率及明顯的非平衡效應(yīng)(界面特征,溶質(zhì)分凝,傳熱傳質(zhì)條件,材料熱物性等).利用不同組織結(jié)構(gòu)，如:超細(xì)組織,亞穩(wěn)相,微晶,納米晶,非晶等滿足使用條件對材料各種性能的要求.5)深過冷凝固借助于快速凝固和熔體凈化的復(fù)合作用而得到的一種極端非平衡凝固.

快速凝固通過改變?nèi)苜|(zhì)分凝固(溶質(zhì)捕獲),液固相線溫度及熔體的擴(kuò)散速度等使合金達(dá)到深過冷狀態(tài);熔體凈化則通過消除異質(zhì)晶核使熔體達(dá)到深過冷狀態(tài).得到:超細(xì)晶,微晶,準(zhǔn)晶,非晶(大塊非晶—金屬玻璃).6)超常凝固特殊條件或特殊環(huán)境下的凝固過程:空間,強(qiáng)電脈沖,超重力場,高壓下,強(qiáng)電磁場下的凝固過程.如:微重力下配制難溶偏晶合金(Co-Cu)105．凝固過程的控制及其研究的對象

研究手段：實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)解析數(shù)值模擬物理模擬相變熱力學(xué)：相平衡界面化學(xué)平衡凝固動力學(xué)：溶質(zhì)再分配形核生長化學(xué)反應(yīng)傳輸現(xiàn)象：傳熱傳質(zhì)對流宏觀組織（晶粒形態(tài)與尺寸）微觀組織（亞晶界、枝晶間距、次生相）強(qiáng)化相的形態(tài)、尺寸、分布多相合金的相結(jié)構(gòu)組織均勻性（宏觀與微觀偏析）組織致密性夾雜、氣孔等應(yīng)力、變形、開裂等晶體結(jié)構(gòu)缺陷（點(diǎn)缺陷、位錯、孿晶等）非晶、微晶、納米晶、非平衡晶凝固過程理論模型控制手段：溫度場控制（冷卻方式）機(jī)械力；物理場：電磁力；超重力；微重力；超聲波化學(xué)方法：晶粒細(xì)化；孕育處理；變質(zhì)處理研究指導(dǎo)控制形狀完整性力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能建立揭示完善獲得要求11凝固過程控制的目的：得到最理想的組織和性能、最低程度的缺陷、形狀完整、具有一定的物理、化學(xué)、力學(xué)性能的產(chǎn)品。凝固過程研究的對象和方法：采用實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)解析、數(shù)值模擬或物理模擬的方法，在熱力學(xué)、凝固動力學(xué)理論和三傳（傳熱、傳質(zhì)、傳動量）理論的基礎(chǔ)上建立凝固過程模型利用建立的凝固過程模型對凝固組織（宏觀、微觀、強(qiáng)化相、相結(jié)構(gòu)、組織均勻性）與缺陷（偏析、縮松、縮孔、夾雜、氣孔、裂紋等）、結(jié)晶狀態(tài)（非晶、微晶、納米晶等）以及晶體缺陷（孿晶、位錯、點(diǎn)缺陷等）進(jìn)行預(yù)測根據(jù)對組織、性能和缺陷控制的需要：

1）改變凝固條件：傳熱（冷卻速度）、傳質(zhì)條件；施加物理場（微重力、超重力、電場、磁場）改善傳熱、傳質(zhì)、對流條件；

2）化學(xué)方法（孕育、變質(zhì)）控制熱力學(xué)平衡和動力學(xué)過程126．凝固理論研究的內(nèi)容（1）合金的化學(xué)成分

化學(xué)成分是決定凝固組織、成分分布、相結(jié)構(gòu)形成傾向的首要因素。相圖：在長期實(shí)驗(yàn)和理論研究的基礎(chǔ)上獲得的大量相圖是對不同成分合金凝固特性進(jìn)行預(yù)測的重要工具。合金凝固的類型：根據(jù)凝固析出相的規(guī)律將分為單相合金：凝固過程中只有一個相析出多相合金：凝固過程中至少有兩個新相，液相或固相；或通過兩個或多個相的反應(yīng)析出新相（2）凝固過程的傳熱、傳質(zhì)和對流

決定了一定成分合金的凝固組織形成，因此是凝固理論與技術(shù)研究的重點(diǎn)。13（3）合金液的結(jié)構(gòu)與合金液的預(yù)處理：過熱、微合金化處理改變合金液的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，影響到凝固組織（4）凝固過程中的控制性環(huán)節(jié)

凝固過程控制性環(huán)節(jié)隨研究對象尺度的變化而不同。小鑄件：導(dǎo)熱成為控制性環(huán)節(jié)，凝固速度快，擴(kuò)散、自然對流作用不明顯大型鑄件：凝固中的自然對流是控制性環(huán)節(jié)，宏觀偏析是研究與控制的主要問題。14（5）冷卻速率對結(jié)晶形態(tài)的影響

不同凝固條件的冷卻速率可相差十幾個數(shù)量級。大型鑄件約為：10-3~10-2℃/s

普通鑄件約為：10-3~102℃/s

普通霧化工藝約為：103℃/s

快速霧化工藝約為：104℃/s

霧化沉積、單輥法和激光表面重熔的冷卻速率可高達(dá)：106~109℃/s

不同冷速范圍內(nèi)凝固過程的主要矛盾變化，研究內(nèi)容隨之變化。

15（6）應(yīng)用條件對材料組織、晶體結(jié)構(gòu)的要求不同，凝過程研究的重點(diǎn)也不同，所采取的措施也有很大差別?？偟膩碚f：凝固過程研究的內(nèi)容覆蓋面很廣，難以用一個統(tǒng)一的理論模型加以描述，因而導(dǎo)致了凝固理論和技術(shù)的多樣化。

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7．凝固過程的研究方法

凝固過程是一個溫度場、濃度場、流場相藕合的復(fù)雜過程凝固過程中涉及到傳熱、傳質(zhì)、液相流動、固相流動對固液界面的遷移和形態(tài)產(chǎn)生重要影響。數(shù)學(xué)解析法：（科學(xué)研究追求的最高境界是用一個最簡單的方程概括紛繁復(fù)雜的現(xiàn)象）建立起一個精煉的數(shù)學(xué)模型是一個學(xué)科發(fā)展成熟的標(biāo)示。數(shù)學(xué)模型的建立：尋找各種影響因素、參量之間的邏輯關(guān)系的過程。數(shù)學(xué)模型建立后，重要是能夠求解析解尋找定解的條件包括：幾何形狀條件、邊界條件、初始條件。事實(shí)上往往求解析解是困難的，有限的，需要借助于其它方法。

17數(shù)值計(jì)算：（是克服解析解法困難的、解決問題的有效途徑）

是將一個凝固問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算問題。數(shù)值計(jì)算法：就是對已有的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散處理，將連續(xù)變化的

過程轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)值點(diǎn)（密度大，間距?。?，實(shí)驗(yàn)方法：

重要地是能夠設(shè)計(jì)一個正確、成功的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過模擬實(shí)驗(yàn)獲取廣泛的數(shù)據(jù)，得出一般性的規(guī)律。

所謂成功的實(shí)驗(yàn)：

1）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)合理、巧妙。即實(shí)驗(yàn)次數(shù)少而獲得的數(shù)據(jù)和信息多；2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有廣泛性和普遍性；3）實(shí)驗(yàn)過程操作性好；4）實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)論能夠正確地反映所模擬的對象和實(shí)際，并能推廣到實(shí)際中去。

188.凝固技術(shù)的發(fā)展展望凝固技術(shù)：以凝固理論為基礎(chǔ)進(jìn)行凝固過程控制的工程技術(shù)，是對各種凝固過程控制手段的綜合應(yīng)用，以盡可能簡單、節(jié)約、高效地獲得具有預(yù)期組織的優(yōu)質(zhì)鑄件。(1)充分認(rèn)識凝固科學(xué)與技術(shù)的綜合性凝固科學(xué)兼有基礎(chǔ)科學(xué)與工程應(yīng)用的特征,凝固涵括了從鑄件,晶體生長,粉末冶金,材料制備到焊接,半固態(tài)成形,連鑄連軋諸多方面.(2)緊密結(jié)合材料發(fā)展的需求合金,金屬/非金屬間化合物,復(fù)合材料,人工晶體,納米材料,超導(dǎo)材料,非晶及多功能陶瓷等.(3)加強(qiáng)新興與超常凝固過程的研究開發(fā)(4)凝固過程的模擬仿真(5)大凝固科學(xué)的誕生.19鑄件充型凝固過程計(jì)算機(jī)模擬仿真(簡稱CAE)是學(xué)科發(fā)展的前沿領(lǐng)域,是改造傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)的必由之路。歷經(jīng)數(shù)十年努力,鑄件充型凝固過程計(jì)算機(jī)模擬仿真已進(jìn)入工程實(shí)用化階段,鑄造生產(chǎn)正在由憑經(jīng)驗(yàn)走向由科學(xué)理論指導(dǎo)。鑄造充型凝固過程的數(shù)值模擬,可以幫助工作人員在實(shí)際鑄造前對鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時間予以有效的預(yù)測,在澆注前采取對策以確保鑄件質(zhì)量,縮短試制周期,降低生產(chǎn)成本。鑄造CAE研究與開發(fā)起步于60年代,據(jù)統(tǒng)計(jì)國外已投入的研究與開發(fā)費(fèi)用達(dá)數(shù)千萬美元。經(jīng)過幾十年的努力,由于在以下三方面取得了重要突破,

鑄件充型凝固過程計(jì)算機(jī)模擬仿真在工程上的應(yīng)用才變?yōu)榭赡芘c現(xiàn)實(shí):a1具有能處理三維復(fù)雜形體的圖形功能;b1硬件及軟件費(fèi)用大幅度下降到鑄造工廠能夠接受;c1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)及軟件對用戶友好(userfriendly),一般鑄造工程技術(shù)人員稍加培訓(xùn)就可獨(dú)立操作運(yùn)行。鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬仿真的研究重點(diǎn)正在由宏觀模擬走向微觀模擬。微觀模擬的尺度包括納米級、微米級及毫米級,涉及結(jié)晶生核長大、樹枝晶與等軸晶轉(zhuǎn)變到金屬基體控制等各個方面.2021加工過程與冷速及組織特點(diǎn)冷速范圍名稱加工過程典型厚度枝晶間距10-6~10-3極慢冷大型砂鑄和人造晶體＞6m5~0.5mm10-6~100慢冷標(biāo)準(zhǔn)鑄件,鑄錠6~0.2m500~50μm100~103近快冷薄帶,常規(guī)霧化200mm~0.2mm50~5μm103~106快冷細(xì)粉霧化\熔體擠/抽6mm~0.2mm5~0.5μm106~109超快冷噴射沉積,電子束集光表面處理200~6μm0.5~0.05μm22鑄造行業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重