合金凝固理论

合金凝固理论昆明理工大学绪论•金属（合金）凝固过程的研究对象•合金凝固理论的发展•凝固学与材料成形•本课程的目的及要求•推荐参考书合金凝固过程研究对象•什么是凝固？宏观意义而言，物质从液态转变成固态的相变过程称为凝固。从微观意义上说，激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程称为凝固。•凝固现象在自然界和工程领域广为存在。•合金凝固理论就是研究液态金属（合金）转变为固态金属（合金）这一凝固过程的理论及技术。•合金凝固理论的基础是物理化学、金属学、传热学、传质学和动量传输学等，在此基础上，阐述液态金属的结构和性质、晶体的形核及长大、宏观组织及其控制等内容。影响液态金属凝固的主要因素•化学成分•冷却速率普通工业条件下，冷却速率为10-3～102℃/s，获得晶体组织特殊条件下，冷却速率达106～109℃/s时，可获得非晶态组织。•液态合金的结构和性质、冶金处理的作用，对液态金属的凝固也具有重要影响。凝固学的发展•我国冶铸技术已有5000多年的历史：前3000年为青铜器时代，后2000年为铁器时代。•铜器和铁器的制造是一个典型的熔化、凝固过程。•公元前513年，我国铸造270kg铸鼎．•明永乐18年（公元1418年～1422年）铸造的；•重46吨，高5.84米，外径3.3米，内径2.9米；•钟体内外铸满笔划清晰的经文约22700个文字。北京大钟寺的永乐大钟20世纪金属凝固理论的进展20～30年代——Tammann结晶理论40年代——Chvorinov平方根定律50年代——Chalmers,Tiller,JacksonandRutter，成分过冷理论60年代——JacksonandHunt，共晶生长理论70年代——Flemings，局部溶质再分配理论80年代——Aziz，快速凝固条件下的溶质再分配模型90年代——KurzandTrivedi，从极慢速凝固到快速凝固的统一模型20世纪金属凝固理论的进展•特种条件下的凝固规律—快速凝固、极低速凝固—微重力凝固、超重力凝固、超高压凝固•凝固过程的计算机数值模拟与仿真—凝固过程温度场的模拟仿真—金属液充型过程流场的模拟仿真—凝固过程应力场的模拟仿真—凝固组织的模拟仿真凝固学与材料成形•液态成形、连接成形、塑性成形、粉末成形及切削成形仍是材料成形的主要方法。•凝固学在这些材料成形技术中起着直接或间接的作用。•液态成形是将液态金属浇入铸型后，经凝固和冷却后获得具有一定形状和性能的铸件和铸锭的加工方法。凝固过程对铸件质量起着关键的作用。•连接成型方法有熔化焊、压焊、钎焊及铆焊。熔化焊，包括近代的激光焊，是当代主要的焊接方法。熔化焊是在极短的时间内将金属熔化并随后凝固而形成接头的一种加工技术。焊接质量在很大程度上由焊缝的凝固特性来决定，研究焊缝的凝固规律已成为重要的理论课题。凝固学与材料成形•塑性成形是金属（合金）在热态或冷态时，于外力作用下使其产生塑性不行而达到具有一定形状的产品的加工方法。•塑性加工所用的坯料都是经过熔化和凝固而获得的。凝固组织，特别是凝固过程中形成的夹杂、裂纹、偏析等对塑性成形会造成严重的后果。•近代的新型材料成形技术，如喷射锻造与凝固学直接联系。凝固学与材料成形•材料成形的最终目的是高效、低耗、无污染地制造出高性能的符合人类不断增长要求的产品。•一次性地形成“净终形”产品越来越引起人们的重视。•这种现代最新的材料成形方法与凝固学的关系极其密切。•可以预料，凝固学的发展将孕育和产生更复合社会需要的材料成形技术和性能更优异的新型材料和产品。本课程的目的及要求•合金凝固理论是材料学科重要的硕士研究生学位课程之一，希望学生通过学习能应用凝固理论解决实际凝固过程中的问题：应用相平衡及控制液固相转变及微观组织形成的传输现象和界面现象等分析凝固过程。理解和预测凝固组织的形成。深入了解铸件凝固过程中的流体流动、传热和传质现象。将凝固基本原理应用到实际凝固过程。了解现代凝固控制技术及其基本原理。推荐参考书金属凝固原理——胡汉起，机械工业出版社材料成形原理——陈平昌，朱六妹，李赞，机械工业出版社，2001金属凝固原理及技术——马幼平，许云华，冶金工业出版社近代材料加工原理——吴德海，任家烈，陈森灿，清华大学出版社，1997材料成形基本原理——刘全坤，机械工业出版社，2005内容第一章液态金属的结构和性质第二章液态金属（合金）凝固热力学和动力学第三章液态金属（合金）凝固过程中的传热、传质及液体流动第四章单相合金的凝固第五章多相合金的凝固第六章铸件凝固组织的形成及控制第七章凝固控制技术第一章液态金属的结构和性质•固体金属的加热、熔化•液态金属的结构•液态金属的性质1.1固体金属的加热熔化•物质是由原子构成的，原子之间存在着相互作用力。•当原子间的距离为R0时，原子受到的引力与斥力相等，处于平衡态。•原子在平衡位置附近做简谐振动，维持晶体的固定结构。金属从固态熔化为液态时的变化•加热时金属原子间距变化与原子间能垒晶体受热膨胀TheLimitofThermalExpansionofPureMetals金属Au小颗粒的熔点与粒径金属从固态熔化为液态时的变化•若对晶体进一步加热，则达到激活能值的原子数量也进一步增加；当这些原子数量达到某一数量值时，首先在晶界处的原子跨越势垒而处于激活状态，能脱离晶体表面，向邻近晶粒跳跃，导致原有晶粒失去固定的形状与尺寸，晶粒间可出现相对流动，称为晶界粘性流动。此时，金属处于熔化状态。•进一步加热，其温度不会进一步升高，而是晶粒表面原子跳跃更频繁。晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子，形成时而集中，时而分离的原子集团、游离原子和空穴。此时，金属从固态转变为液态。金属从固态熔化为液态时的变化•金属由固态变成液态，体积约膨胀3％～5％。而且，其它性质如电阻、粘性也会发生突变。•在熔点温度的固态变成液态时，金属要吸收大量的热量，称为熔化潜热。1.2液态金属的结构•液态金属的热物理性质•X射线结构分析•液态金属的结构金属的熔化潜热和气化潜热比较对气态金属而言，原子间结合键几乎完全被破坏，而液态金属原子间结合键只破坏了一部分。某些金属的熵值变化熵值变化是系统结构紊乱变化的量度。金属由固态变为液态熵值增加不大，说明原子的固态时的规则排列熔化后紊乱程度不大。液态金属的结构接近固态金属而远离气态金属。液态金属结构的实验测定•X射线结构分析•r为以选定原子为中心的一系列球体的半径，表示围绕所选定原子的半径为r、厚度为dr的一层球壳中原子数。ρ为球面上的原子密度。•直线和曲线分别表示固态铝和700℃的液态铝中原子的分布。rrd42液体的径向分布函数与结构分析液体径向分布函数示意图X射线所得液态和固态金属结构参数Pb-Sb二元合金的差热分析结果Pb-5%Sb合金Pb-11.2%Sb合金液态铝的吸氢量与温度的关系液态金属的结构•实际的液态金属（合金）是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡组成的鱼目混珠的“混浊”的液体。•实际的液态合金存在能量起伏、结构起伏和浓度起伏。1.3液态金属的性质•液态金属的粘度•表面张力和表面能•界面张力和界面能•Gibbs吸附方程液态金属的粘滞性——粘度•粘度——介质中一部分质点对另一部分质点作相对运动时所受到的阻力。•根据牛顿液体粘滞定律层流，所有液体平行运动，层和层之间存在内摩擦力动力粘度和运动粘度•粘滞系数就是通常所称的粘度，也叫动力粘度。•粘度的倒数叫流动性。•运动粘度影响粘度的因素•温度由可知，第二项随温度升高而降低，第一项则与温度呈直线关系。当温度不太高时（比如熔点附近），指数项随温度增高而急剧变化，因而使粘度下降。但当温度很高时，指数项趋近于1，这时随温度增高，粘度呈直线增加。显然，这种情况已是接近气态了。液态金属粘度logη与1/T的关系影响粘度的因素•化学成分—Fe-C亚共晶合金，随C含量的升高，粘度下降。共晶点时，粘度最小，流动性最好。•非金属夹杂物—固态杂质越多，粘度越大。Al-Si合金的粘度Fe-C合金的粘度粘度在材料成形过程中的意义•对液态金属净化的影响•对液态合金流动阻力的影响•对凝固过程中液态合金对流的影响粘度与Stokes(司托克斯)公式•液体金属中存在的各种夹杂物及气泡等总是力图离开液体，以上浮的方式分离。•脱离的动力是两者重度之差，即•根据司托克斯原理，半径0.1cm以下的球形杂质的阻力Pc：•杂质匀速运动时，Pc=P，故•杂质上浮速度)(21VP对液态合金流态的影响•流体的流动分层流和紊流，属何种流态由雷诺数Re的大小决定。•Re的数学式为•式中，D为管道直径；v为流体流速；γ为流体重度。•临界雷诺数：对于圆管Rek=2300Re2300为紊流Re2300为层流DvRe对液态合金流动阻力的影响DvRef3232层2.02.02.0092.0092.0）（紊DvRef设f为流体流动时的阻力系数，则有液态合金的粘度大其流动阻力也大。当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动阻力大。金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期或夹窄的枝晶间的补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。粘度对液态合金流量的影响对凝固过程中液态合金对流的影响•液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析、杂质的聚合等产生重要影响。•液态合金在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力。•当浮力大于或等于粘滞力时则产生对流，其对流强度由无量纲的格拉晓夫准则度量，即—温差引起的对流强度—浓度差产生对流强度•βT、βc分别为温度和浓度引起的体膨胀系数；l为水平方向上热端到冷端距离的一半。•粘度越大对流强度越小。223/TlgGTT223/clgGcc表面张力•一小部分的液体单独在大气中出现时，力图保持球状形态，说明总有一个力的作用使其趋向球状，这个力称为表面张力。•表面张力是质点间作用力不平衡引起的。•表面张力和表面能相等，只是单位不同，体现为从不同角度来描述同一现象。界面张力和界面能界面张力的表征润湿角是衡量界面张力的标志影响表面张力的因素•熔点——熔点Tm越高，表面张力越大。•温度——大多数金属和合金如Al、Mg、Zn等，其表面张力随温度的升高而降低。有例外，铸铁、碳钢、铜及其合金。•溶质元素——表面活性元素，使表面张力降低，有正吸附作用；——非表面活性元素，提高表面张力，有负吸附作用。合金元素对Al、Mg液表面张力的影响P、S两元素对铸铁表面张力的影响Gibbs溶液表面吸附方程由表面张力引起的附加压力•拉普拉斯压力表面张力与浸润现象•当固-液互相润湿时，附加压力有利于液体的充填，否则反之。固液润湿固液不润湿当f3f2时，产生指向固体内部且垂直于A点液面的合力F当f3f2时，产生指向固体内部且与液面垂直的合力F‘液态金属（合金）的流动性及充型能力•金属液态成形的型腔及充型过程液态金属充型流动的特点•1、流动中被冷却，温度降低，粘度增大→流速和流动状态会发生变化、非稳定流动•2、短时间短流道流动，多局部阻力→非平稳流动、会卷入气体、夹杂等杂质。•3、表面张力大，流动中还会结晶→会充填不进，或提前停止流动而充填不满。液态金属（合金）的流动性及充型能力•液态金属流动性及充型能力的基本概念•液态金属充型能力的测定方法•液态金属充型能力的计算液态金属流动性及充型能力的基本概念•液态金属本身的流动能力称为流动性。它由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定，与外界因素无关。•液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，叫液态金属充填型腔的能力，简称充型能力。•液态金属的充型能力首先决定于其本身的流动性，同时受外界条件的影响，如铸型性质、浇注条件、铸型结构等。充型能力物理模型•假设用某合金浇一水平圆棒形试样，在一定条件下合金的充型能力以其流过的长度l来表示。vtlgHv2式中，H为液态金属的静压头；μ为流量消耗系数。充型能力计算型浇L