凝固理论的发展概论.ppt
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1、第一讲 凝固理论的发展概论第一节第一节 什么是凝固什么是凝固 从工业生产到固态物理从工业生产到固态物理,在这些领域的许多过程中,凝固在这些领域的许多过程中,凝固(solidificationsolidification)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件,直至相当小的高纯度晶体(crystalcrystal),都涉及到凝固。,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,【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
2、。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。【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。黏度大,冷却速度快则容易得到非晶态物质。1 1河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【微观实质】【微观实质】从从微微观观来来看看,凝凝固固就就是是金金属属原原子子(atomatom)由由“近近程程有有序序(short short rangerange)”)”向向“远远 程程(long-distancelong-distance)有有 序序”的的 过过 渡渡(transit
3、iontransition),使使原原子子成成为为按按一一定定规规则则排排列列的的(tactictactic)晶晶体体;纯纯金金属属的的液液态态结结构构是是由由原原子子集集团团、游游离离原原子子、空空穴穴或或裂裂纹纹组组成成的的。原原子子集集团团由由数数量量不不等等的的原原子子组组成成,其其大大小小为为1010-10-10mm数数量级,在此范围内仍具有一定的规律性,成为量级,在此范围内仍具有一定的规律性,成为“近程有序近程有序”。【宏观现象】【宏观现象】从从 宏宏 观观(macrocosmicmacrocosmic)来来 看看,就就 是是 把把 液液 态态 金金 属属 储储 存存(deposi
4、teddeposited)的的热热量量(quantity quantity of of heatheat)传传给给外外界界而而凝凝固固成成一一定定形状的固体。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。质制品。2 2河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【传输过程】【传输过程】传热、传质(溶质扩散)和动量
5、传输(对流)传热、传质(溶质扩散)和动量传输(对流)【物理场】【物理场】重力场、电磁场等。重力场、电磁场等。这些过程和场量在凝固过程中的演变规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、凝固组织形律及交互作用决定着凝固进程、凝固组织形态和成分分布。态和成分分布。【凝固技术】【凝固技术】各种凝固过程控制方法的应用导致一系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、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、电磁场控制铸铸造法复合材料制备技术、电磁场控制铸造、微重
6、力凝固等。这些凝固技术不仅使得造、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。种新材料的研制和发展。凝固过程是凝固过程是通过对各种通过对各种传输过程和传输过程和物理场的控物理场的控制实现的。制实现的。3 3河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院 金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造,通金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造,通金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造,通金属及合金的生产、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,凝固后过熔炼,
7、得到要求成分的液态金属,浇注在铸型中,凝固后过熔炼,得到要求成分的液态金属,浇注在铸型中,凝固后过熔炼,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。材、棒材、板材和线材。材、棒材、板材和线材。材、棒材、板材和线材。H 钢水包长水口中间包HiHHc注速Vs铸 坯二冷区,拉速:V,铸坯总重量M数据采集设备中间包钢水重量钢坯拉速1钢坯拉速nVnV1W大包钢水重量T计算机处理
8、单元现场操作显示单元管理文档4 4河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院第二节第二节 凝固理论的发展阶段凝固理论的发展阶段 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。商朝“钟鸣鼎食”是权贵的象征。司马迁论人能出类拔萃,富甲一方,实有非凡之毅力。盖人精打细算,勤奋节俭,乃生财致富之正途,故致富者必出奇制胜也。耕田务农乃繁重之业,而秦杨以之为一州首富。掘坟盗墓本为作奸犯科,而田叔以之起家兴旺。赌技博戏本为不良之行,而桓发以之而富甲一方。沿街叫卖为男人贱业,而雍乐成以之殷实富饶。贩脂卖膏为耻辱之业,
9、而雍伯以之获利千金。卖水鬻浆本为小本经营,而张氏以之赚钱千万。磨刀砺剑本为雕虫小技,而郅氏以之列鼎而食。售羊胃肉脯乃微不足道之事,而浊氏以之车马成行。为马治为马治病乃低浅医术,而张里以之击钟佐食。彼等皆由于专心笃志而致富也。病乃低浅医术,而张里以之击钟佐食。彼等皆由于专心笃志而致富也。“钟鸣鼎食”之成语,即由此典故演变而来。古代豪门贵族吃饭时要奏乐击钟,用鼎盛着各种珍贵食品(敲着钟,列鼎而食)。故用“钟鸣鼎食”形容权贵的豪奢排场,旧时还形容富贵人家生活奢侈豪华。汉张衡西京赋:“击钟鼎食,连骑相过。”唐王勃滕王阁序:“闾阎扑地,钟鸣鼎食之家。”5 5河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能
10、源学院第二节第二节 凝固理论的发展阶段凝固理论的发展阶段 曾侯乙是一位名乙的曾国诸侯王。从楚惠王送给他的一件青铜镈上的三十一字铭文看,曾侯乙死于公元前433年或稍晚,通过对其尸骸的碳14测定,可以推定曾侯乙的死亡年代在公元前433年到公元前400年之间,他死时年龄在4245岁之间。综合考察其他材料,曾侯乙应当生于公元前475年或稍晚,约在公元前463年前后成为诸侯王,在位约三十年。出土文物表明,曾侯乙生前非常重视乐器制造与音律研究,兴趣广泛,同时也是擅长车战的军事家。1978年湖北随县出土的曾侯乙青铜器编钟,64件共分8组,可演奏中外名曲。它们是距今2400多年前战国初期铸造的。北京大钟寺的永
11、乐大钟,是明永乐十八年(公元1418 1422)铸造的,重46t,高5.84m,外径3 3m,内径2.9m。钟体内外铸满笔画清晰的经文约22700个文字。其钟声优雅悦耳,可传数十里,堪称世界之最。由此可见,当时对青铜的化学成分和凝固过程的控制已达到很高的水平。6 6河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院19781978年湖北随县出土的曾侯乙青铜器编钟年湖北随县出土的曾侯乙青铜器编钟永乐大钟声传永乐大钟声传9090里里7 7河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院 Historically,simple cast objects(in copper)first Hist
12、orically,simple cast objects(in copper)firstappeared before about 4000BC(Bronze Age)andappeared before about 4000BC(Bronze Age)andwere,no doubt,a natural by-product of the potterswere,no doubt,a natural by-product of the pottersskill in handling the clay used in furnace andskill in handling the clay
13、 used in furnace andmould-making.mould-making.The lost-wax(investment casting)process was The lost-wax(investment casting)process wasdeveloped in Mesopotamia as long ago as 3000BC.developed in Mesopotamia as long ago as 3000BC.The production of renowned and highly The production of renowned and high
14、lysophisticated bronze castings of China began insophisticated bronze castings of China began inabout 1600BC.about 1600BC.Iron-casting in China began in about 500BC Iron-casting in China began in about 500BC(Iron Age)but in Europe cast iron did not appear(Iron Age)but in Europe cast iron did not app
15、ear1902 until the 16th century1902 until the 16th century8 8河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院近代凝固理论大约经历了以下几个阶段近代凝固理论大约经历了以下几个阶段:【阶段一】【阶段一】【阶段一】【阶段一】2020世纪世纪世纪世纪6060年代前诞生了经典的凝固理论年代前诞生了经典的凝固理论年代前诞生了经典的凝固理论年代前诞生了经典的凝固理论(1 1)1945-19501945-1950年美国哈佛大学年美国哈佛大学D.TURNBULLD.TURNBULL将将Volume-Webber-Becker-DoringVolum
16、e-Webber-Becker-Doring形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。着是核心长大直至成为固态。(2 2)在多伦多大学)在多伦多大学B.ChalmersB.Chalmers的指导下,许多著名的凝固学家脱颖而出。他们在的指导下,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,总结出对凝固界面附近溶质分析求解的基础上,总结出“成分过冷成分过冷”理论,并提出了可理论,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
17、生长方式和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。形态的影响。19611961年出版了国际上第一本凝固理论专著年出版了国际上第一本凝固理论专著“Principles of“Principles of Solidification”Solidification”(3 3)FlemingsFlemings(MITMIT)等从工程的角度出发,研究了两相区内液相流动效应,提出)等从工程的角度出发,研究了两相区内液相流动效应,提出了局部溶质再分配方程等理论模型推动了凝固科学的发展。了局部溶质再分配方程等理论模型推动了凝固科学的发展。(4 4)捷克的)捷克的Chv
18、orinovChvorinov通过对大量逐渐凝固冷却曲线的分析,引入了铸件模数(通过对大量逐渐凝固冷却曲线的分析,引入了铸件模数(按按照模数理论,铸件的凝固时间取决于它的体积和传热表面积的比值,其比值称为照模数理论,铸件的凝固时间取决于它的体积和传热表面积的比值,其比值称为凝固模数,简称模数,用凝固模数,简称模数,用M=V/A(cm)M=V/A(cm)表示表示 )的概念,建立了求解铸件凝固层厚)的概念,建立了求解铸件凝固层厚度和铸件凝固时间的数学方程,导出了著名的平方根定律。该定律仍是今日铸造度和铸件凝固时间的数学方程,导出了著名的平方根定律。该定律仍是今日铸造工艺设计的重要理论依据之一。工艺
19、设计的重要理论依据之一。9 9河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【阶段二】【阶段二】【阶段二】【阶段二】2020世纪世纪世纪世纪6060年代后经历了较长时间内的应用研究与新技术开发年代后经历了较长时间内的应用研究与新技术开发年代后经历了较长时间内的应用研究与新技术开发年代后经历了较长时间内的应用研究与新技术开发 在此后的较长一段时间内,研究的重点放在经典理论的应用上,以在此后的较长一段时间内,研究的重点放在经典理论的应用上,以提高材料的质量,降低产品的成本,以便用低的消耗获得优质产品。出提高材料的质量,降低产品的成本,以便用低的消耗获得优质产品。出现了先进的凝固技术和材料成形
20、方法,积累了大量的凝固过程参数,为现了先进的凝固技术和材料成形方法,积累了大量的凝固过程参数,为凝固学的进一步发展奠定了基础。凝固学的进一步发展奠定了基础。包括:包括:快速凝固;快速凝固;快速凝固;快速凝固;定向凝固;定向凝固;定向凝固;定向凝固;等离子熔化技术;等离子熔化技术;等离子熔化技术;等离子熔化技术;激光表面重熔技术;激光表面重熔技术;激光表面重熔技术;激光表面重熔技术;半固态铸造;半固态铸造;半固态铸造;半固态铸造;扩散铸造;扩散铸造;扩散铸造;扩散铸造;调压铸造。调压铸造。调压铸造。调压铸造。定向结晶装置原理图 1010河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【阶段三
21、】近代,凝固学的发展进入了新的历史时期【阶段三】近代,凝固学的发展进入了新的历史时期【阶段三】近代,凝固学的发展进入了新的历史时期【阶段三】近代,凝固学的发展进入了新的历史时期 对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出来,对经典理论的局限性有了进一步的认识:对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出来,对经典理论的局限性有了进一步的认识:(1)1964(1)1964年日本的大野笃美,受北大西洋冰山的启发,用氯化铵水溶液模年日本的大野笃美,受北大西洋冰山的启发,用氯化铵水溶液模年日本的大野笃美,受北大西洋冰山的启发,用氯化铵水溶液模年日本的大野笃美,受北大西洋冰山的启发,用氯化铵水溶液模 拟钢液凝固做
22、了大量的试验研究,提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论,拟钢液凝固做了大量的试验研究,提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论,拟钢液凝固做了大量的试验研究,提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论,拟钢液凝固做了大量的试验研究,提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论,并发现了凝固前沿并发现了凝固前沿并发现了凝固前沿并发现了凝固前沿“过冷度减小过冷度减小过冷度减小过冷度减小”的概念,从而使人们从静止的观点发的概念,从而使人们从静止的观点发的概念,从而使人们从静止的观点发的概念,从而使人们从静止的观点发 展到用动态的观点来分析凝固过程。展到用动态的观点来分析凝固过程。展到用动态的观点来分析凝固过程。展到用动态的观点来分析凝固过程
23、。19731973年出版了年出版了年出版了年出版了“金属凝固学金属凝固学金属凝固学金属凝固学”。(2)1965-1968(2)1965-1968牛津大学材料系教授创立牛津大学材料系教授创立牛津大学材料系教授创立牛津大学材料系教授创立J-HJ-H经典共晶生长理论经典共晶生长理论经典共晶生长理论经典共晶生长理论 (3)1982 (3)1982年哈佛大学应用科学部博士提出快速凝固溶质截留理论年哈佛大学应用科学部博士提出快速凝固溶质截留理论年哈佛大学应用科学部博士提出快速凝固溶质截留理论年哈佛大学应用科学部博士提出快速凝固溶质截留理论 (4)(4)特别令人感兴趣的是,由干计算机和计算技术的发展,能定量
24、地描述液特别令人感兴趣的是,由干计算机和计算技术的发展,能定量地描述液特别令人感兴趣的是,由干计算机和计算技术的发展,能定量地描述液特别令人感兴趣的是,由干计算机和计算技术的发展,能定量地描述液态金属(合金)的凝固过程,可以对凝固过程和凝固缺陷进行预测采用对凝固过程态金属(合金)的凝固过程,可以对凝固过程和凝固缺陷进行预测采用对凝固过程态金属(合金)的凝固过程,可以对凝固过程和凝固缺陷进行预测采用对凝固过程态金属(合金)的凝固过程,可以对凝固过程和凝固缺陷进行预测采用对凝固过程的数学模型和计算机辅助设计的方法能有效地控制凝固过程,以最小的投入,获得的数学模型和计算机辅助设计的方法能有效地控制凝
25、固过程,以最小的投入,获得的数学模型和计算机辅助设计的方法能有效地控制凝固过程,以最小的投入,获得的数学模型和计算机辅助设计的方法能有效地控制凝固过程,以最小的投入,获得大的产出。在此基础上,出现了许多新的凝固理论和模型。大的产出。在此基础上,出现了许多新的凝固理论和模型。大的产出。在此基础上,出现了许多新的凝固理论和模型。大的产出。在此基础上,出现了许多新的凝固理论和模型。它们将温度场、应力场、流动场耦台起来进行研究,其结果更接近于实际。它们将温度场、应力场、流动场耦台起来进行研究,其结果更接近于实际。它们将温度场、应力场、流动场耦台起来进行研究,其结果更接近于实际。它们将温度场、应力场、流
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