金属凝固原理复习大纲

金属凝固原理复习大纲

绪论

1、凝固定义

宏观上：物质从液态转变成固态的过程。微观上：激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程。

2、液态金属凝固的实质：原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程 液态金属的结构特征：“近程有序”、“远程无序” 组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成 3、液态金属的性质：粘度和表面张力

粘度的物理意义：单位接触面积，单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力 粘度的本质上是原子间的结合力

影响液体金属粘度的主要因素是：化学成分、温度和夹杂物

表面张力的物理意义：作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位N/m

影响液体金属表面张力的主要因素是：熔点、温度和溶质元素。取决于质点间的作用力 4、液体结构的特性：近程有序和远程无序

晶体:凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。 单晶体:在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体

多晶体:大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。 吸附是液体或气体中某种物质在相界面上产生浓度增高或降低的现象。 金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶

金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶

当向溶液中加入某种溶质后，使溶液表面自由能降低，并且表面层溶质的浓度大于溶液内部深度，则称该溶质为表面活性物质（或表面活性剂），这样的吸附称为正吸附。反之，如果加入溶质后，使溶液的表面自由能升高，并且表面层的溶质浓度小于液体内部的浓度，则称该溶质为非表面活性物质（或非表面活性剂），这样的吸附为负吸附

第一章 凝固过程的传热

1、凝固过程的传热特点：“一热、二迁、三传” “一热”指热量的传输是第一重要；

“二迁”指存在两个界面，即固－液相间界面和金属－铸型间界面。

“三传”指动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维热物理过程。

2、金属型特点：具有很高的导热性能；非金属型铸造特点：与金属相比具有非常小热导率，故凝固速度主要取决于铸型的传热性能。铸型外表面温度变化不大，故可把铸型看成是半无限厚的。

第二章 凝固动力学

1、自发过程：从不平衡态自发地移向平衡态的过程（不可逆过程） 2、化学势：某一组元的化学势为1mol该组元物质的吉布斯自由能，是1mol的恒温等压势。 3、公切线原理求相平衡P61.63

4、判断平衡相（液相还是固相）P65

4、溶质平衡分配系数K0：恒温下固相溶质浓度CS与液相溶质浓度CL达到平衡时的比值。

K0=CS/CL=mL/mS=

5、界面曲率对溶质平衡分配系数k0影响：曲率半径小的晶体，其固液界面前沿富集起来的液相溶质浓度比曲率半径大的晶体小。在理想溶液中是均匀向下移动相图中液固相线位置。

6、压力对溶质平衡分配系数k0的影响：均匀地向上移动相图中液固相线位置。

第三章 凝固动力学

1、形核：亚稳定的液态金属通过起伏作用在某些微观小区域内生成稳定存在的晶态小质点的过程。

2、均质形核：在没有任何外来的均质溶体中，依靠液体金属内部自身结构自发地形核。均质形核在溶体各处概率相同，全部固液界面都由形核过程提供。因此热力学能障大，所需驱动力大。

异质形核：在不均匀的溶体中依靠外来夹杂或型壁界面所提供的异质界面进行形核。异质形核首先发生在外来界面处，因此能障较小，所需的驱动力也较小。 3、形核相变的驱动力：固液相体积自由能差；阻力：界面能。 4、形核速率是在单位体积中单位时间内形成的晶核数目。

5、在液相中那些对形核有催化作用的现成界面上形成的晶核称为非自发形核 6、均质形核理论的局限性：

均质形核是对理想纯金属而言的，其过冷度很大比实际液态金属凝固时的过冷度大多了。实际上金属结晶时的过冷度一般为几分之一摄氏度到十几摄氏度。实际的液态金属(合金)在凝固过程中多为异质形核。 7、均质形核与异质形核的异同：

相同点：异质形核的临界晶核半径在形式上与均质形核临界晶核半径完全相同

不同点：①均质形核临界晶核是球体，而异质形核的晶核为球体的一部分（球冠），因而异质晶核中所含原子数目少，这样的晶坯易形成。②润湿角θ与均质形核无关，而影响异质晶核的体积

8、形核剂的条件：

①适配度小 ②粗糙度大 ③分散性好 ④温稳定性好

9、当晶格点阵适配度δ≤5% 时，通过点阵畸变过渡，可以实现界面两侧原子之间的一一对应。这种界面称为完全共格界面，其界面能较低，衬底促进非均质生核的能力很强；当5%＜δ＜25%时为部分共格界面；当δ≥25% 时，为不共格，夹杂物衬底无形核能力。 10、界面共格对应原则：固相杂质表面的原子排列规律和原子（晶粒细化剂的选择原则）间距与新相晶核相近。（晶粒细化剂选择原则）

11、粗糙界面（非小晶面）：微观粗糙，宏观光滑。非小晶面长大。大部分金属属于此类。

光滑界面（小晶面）：微观光滑，宏观粗糙。小晶面长大。非金属、类金属（Bi、Sb、Si）属于此。

第四章 单相合金的凝固

1、合金可分为单相合金和多相合金两大类。单相合金是指在凝固过程中只析出一个固相的合金，如固溶体、金属间化合物等。多相合金是指凝固过程中同时析出两个以上新相的合金如有共晶、包晶或偏晶转变的合金。

2、溶质再分配：合金在凝固过程中，已析出固相排出多余的溶质原子（或溶剂原子），并富集在界面的液体中，造成成分分离的现象。（合金凝固过程的一大特点） 3、平衡分配系数Ko实际上描述了在固、液两相共存的条件下溶质原子在界面两侧的平衡分配特征。

4、成分过冷：合金晶体在长大过程中，因溶质再分配而引起的过冷，称为成分过冷。其过冷度称为成分过冷的过冷度。

5、热过冷：金属凝固过程中，纯粹由热扩散控制形成的过冷，称为热过冷，其过冷度称为热过冷的过冷度。

6、成分过冷条件：①合金凝固过程中溶质在固-液界面前沿富集；②满足成分过冷判别式。 7、成分过冷的过冷度在生长着的固-液界面处最小，离开界面逐渐增大，因此界面很不稳定。 8、成分过冷降低了实际过冷度，阻碍了晶体的生长。凡是溶质富集的地方，那里成分过冷就越大，其过冷度就越小，该处生长就越慢。 9、影响成分过冷的因素：

由成分过冷判据式可知，下列因素有利于成分过冷： ①液相中温度梯度小，GL小； ②晶体生长速度快，v大； ③陡的液相线斜率，mL大； ④原始成分浓度高，C0大； ⑤液相中溶质扩散慢，DL低； ⑥k0＜1时，k0小；k0＞1时，k0大

备注：①和②属于工艺因素，③-⑥属于合金方面因素。 10、强成分过冷元素（表面活性元素）的选取原则： ①熔点低 （液相线斜率陡，mL大）

②原子半径大 （液相中溶质扩散慢，DL 低） ③在合金中的固溶度小 （k0小）

11、成分过冷的单相合金四种宏观生长方式（如右图）：

①无成分过冷的平面生长 （GL1） ②窄成分过冷区的胞状生长 （GL2） ③较宽成分过冷区的柱状树枝晶生长 （GL3） ④宽成分过冷区的自由树枝晶生长 （GL4） 12、“外生生长”与“内生生长”的概念：

外生生长：晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式。平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属此类。

内生生长：等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式。 13、合金固溶体凝固时的晶体生长形态：

? 不同的成分过冷情况（成分过冷主要结论！）

①无成分过冷——平面晶 ②窄成分过冷区间——胞状晶

③成分过冷区间较宽——柱状树枝晶 ⑤宽成分过冷——内部等轴晶

14、平面生长→胞状生长→树枝晶生长演变过程：

由大逐渐减小，即随“成分过冷”程度增大，固溶体生长方式变化为：

平面晶→胞状晶→胞状树枝晶(柱状树枝晶)→内部等轴晶(自由树枝晶)

第五章 多相合金的凝固

1、共晶组织的分类：

①规则共晶(金属一金属共晶)，属于非小平面—非小平面共晶。 ? 固一液界面：在原子尺度上是粗糙界面。

? 组成：金属—金属相或金属—金属间化合物相。

? 组织形态：层片状及棒状（出现哪种结构要取决于：①α与β相间的体积比②第三组元

的存在。若某一相体积分数小于1/π时，该相出现棒状结构；若体积分数在1/π-1/2之间时，两相均以片状结构出现。造成原因：结构表面能的大小。体积分数小于1/π时，棒状结构表面能小于片状结构；体积分数在1/π-1/2之间时，片状结构表面能小于棒状结构）。

? 决定共晶两相长大的因素：热流的方向和两组元在液相中的扩散，两相长大过程互相依

赖的关系是界面附近的溶质横向扩散。

? 固一液界面形态：将近似地保持着平面，其等温面基本上也是平直的。（每一相的长大

受着另一相存在的影响，当共晶结晶时，两相并排地结晶出来并垂直于固一液界面长大）。

②非规则共晶(金属一非金属共晶)，属于非小平面一小平面。 ? 固一液界面：一个是特定的晶面。

? 组织形态：多种多样，简化为片状与丝状两大类。

? 固一液界面形态：非平面的且是极不规则的，其等温面也不是平直的。 △金属—金属共晶与金属—非金属共晶相同点：热力学原理和动力学原理一样；不同点如上所述。

2、共生生长：在共晶合金结晶时，后析出的相依附于领先相表面而析出，进而形成相互交叠的双相晶核且具有共同的生长界面，依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元，彼此偶合的共同向前生长。

3、离异生长：两相没有共同的生长界面，它们各以不同的速度而独立生长，在形成的组织中没有共生共晶的特征，这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所形成的组织称为离异共晶。

4、偏晶合金的最终显微形貌将要取决于三个界面能、L1与L2的密度差以及固一液界面的推进速度

5、晶体生长机制（方式）：

? 非小晶面结构——连续长大（正常长大）

? 小晶面结构——侧面长大 ①二维晶核台阶 ②晶体缺陷台阶：螺位错、孪晶沟槽。 6、“侧面长大”方式的三种机制：

? 二维晶核机制：台阶在界面铺满后即消失，要进一步长大仍须再产生二维晶核。