凝固原理 第一章 概论
讲授人：郝启堂、杨光昱、李双明,凝固技术,主要参考资料,凝固技术，周尧和，胡壮麒，介万奇，机械工业出版社 Solidification Process，M. C. Flemings 金属学，胡赓祥，钱苗根，上海科学技术出版社,第一部分、概论,凝固过程控制的研究路线,凝固：从液态向固态转变的相变过程。 凝固原理：理论体系，目的在于认识凝固过程的基本原理。 凝固技术：过程控制，目的在于以凝固理论为基础， 通过必要的手段达到想要达到的目的。,化学成分 三传 熔体处理 成形条件及方法,凝固过程研究对象,凝固过程研究对象之一:化学成分,合金的化学成分是决定凝固组织、成分分布及相结构形成倾向的首要因素。不同成分的合金具有不同的凝固特性。 通过实验和理论研究，获得大量的相图,并依据相图对不同成分合金的凝固特性进行预测。 根据凝固过程相析出的规律将合金的凝固归纳为单相合金的凝固和多相合金的凝固。前者只有一个固相自液相析出，后者则至少有两个新相(液相或固相)或者通过两个或多个相(至少一个是液相)的反应析出新的固相。,凝固过程研究对象之二：传热、传质、对流,合金成分确定之后，凝固组织是由凝固过程的传热、传质及液体流动决定的。因而，凝固过程的传热、传质和对流成为凝固理论与技术研究的重点。,凝固过程研究对象之三 ：熔体处理,合金液的结构对凝固过程与组织有重要影响。合金液的预处理，如过热处理、微合金化处理等可以改变液体的状态与结构，从而影响着合金的凝固组织。,凝固过程研究对象之四：成形条件及方法,虽然凝固过程的研究对象是单一的，即液-固相变过程，但研究对象的尺度变化使得凝固过程的控制因素和环节具有本质的差别。小尺寸铸件在金属型中的快速凝固过程是在数秒甚至更短的时间内完成的，溶质的扩散和自然对流的作用将不明显，导热成为凝固过程的控制环节。而对于数十吨乃至上百吨的大型铸件或铸锭，凝固过程将持续数十至上百小时，凝固过程中的对流将成为影响铸件质量的重要因素。合金元素的宏观偏析也成为凝固过程研究与控制的主要问题。 成形方法将直接影响产品尺寸精度、冷却速度、冶金质量、力学性能和物理性能。,凝固过程研究方法(数学解析法),从科学研究的角度讲，如果能够用数学语言精确地进行描述始终是人们梦寐以求的目标，也是一门学科成熟的标志。数学解析包括数学模型的建立和数理方程的求解。数学模型的建立首先要是找出所研究问题中的所有影响因素(参量)，然后通过具体的数量级的估计，忽略次要因素，保留主要因素。试图把所有因素都归纳在一个统一的理论模型中的可能性是非常小的。数学模型的建立过程就是寻找这些参量之间逻辑关系的过程。寻找各种影响因素和数学模型的建立往往需要借鉴本门学科的已有知识和其他学科的理论，并进行数学逻辑的思维。凝固理论如同其他科学理论一样，其理论模型在不断发展和完善。认识的不断深入和数学方法的发展，使人们有可能考虑更多的因素，并找出合适的模型。随着凝固条件的变化，主要矛盾可能发生转变，随之也需要对数学模型进行修正。 在数学模型建立之后，人们首先想到的是求出解析解。为此需要寻找定解条件。这些定解条件包括几何形状条件，边界条件和初始条件。然而，在凝固过程中遇到的问题中，能够找到解析解的非常有限。因此，其他研究方法是必不可少的。,凝固过程研究方法(数值计算法),当对已经建立的数学模型无法找到解析解的时候，采用数值计算方法是解决问题的有效途径。数值计算方法首先需要对已有的数学模型进行离散处理，将连续的变化过程转化为离散的数值点，在这些点的密度 非常大，间距非常小的情况下，可以较为准确地反映实际情况。常用的离散方法包括差分法和有限元法。一旦完成了数学模型的离散过程，则一个凝固问题便转变为计算问题。现代计算机技术和计算方法的发展使得可以找到数学模型的问题都能够通过数值计算方法解决。 数值计算的另一个方法是Monte Carlo模拟方法，它是通过随机赋值而由大量随机过程获得统计结果的方法。,凝固过程研究方法(实验法),实验不仅可以验证理论模型的合理性，而且对于尚且无法找到数学模型的过程，采用实验方法是解决问题的有效手段。实验方法还是获得物理性能参数和发现新现象、新规律的主要途径。 进行实验工作的第一步是设计实验模型和实验过程以及测量参数的确定。对于实际凝固过程进行直接的实验测试可以获得比较准确的结果。然而，由于受到铸件尺寸、实验费用、场地、测试技术和方法的限制，有时无法直接对实际凝固过程进行测试。此外，简单地对一具体凝固过程的测试，所获取的结果往往也不具备广泛的适应性。因此，设计一个实验模型，通过对实验模型凝固过程系统地研究，获取实验数据和结论，往往能够找出适用范围广的一般性规律，并可能发现一些新现象。 成功的实验包括： 1) 实验方案合理巧妙的设计，采用尽可能少的实验次数，获得尽可能多的实验数据和信息。 2) 实验结果具有广泛的指导价值和普遍性。 3) 实验过程具有好的可操作性。 4) 以一定的凝固过程作为模拟对象的模拟实验，其实验过程和结论能够正确的反映实际过程，并能够反推到实际过程中去。,凝固过程控制方法,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。 凝固过程的控制是通过对各种传输过程和物理场的控制实现的。可控制的主要传输过程包括传热、传质(溶质扩散)和动量传输(对流)。此外也可通过采用变重力场、电磁场等实现凝固过程的控制。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、凝固组织形态和成分分布。 凝固过程之所以能够进行，在于合金液内所含有的热量和凝固潜热能够及时导出。因此，传热过程控制是凝固过程控制的首要因素。维持合金液的均匀冷却可得到等轴晶凝固组织。而采用强制一维散热则可使凝固过程沿温度梯度方向定向进行，获得定向凝固组织。对于定向凝固过程，控制凝固的关键参数是温度梯度和导热速率。而均匀冷却的自由凝固过程的控制参数则是冷却速率。,在合金凝固过程中，由于合金元素在液相和固相中的化学位不同使得析出固相的成分不同于原始液相。合金元素在凝固界面发生再分配，同时造成固相和液相内成分的不均匀而发生扩散过程。该再分配过程及扩散过程不仅会引起溶质元素在宏观或微观尺度内的偏析，而且对凝固组织有决定性的影响。溶质传输过程是和凝固方式密切相关的。 凝固过程中由于液相成分和温度的不均匀造成合金液密度的不均匀，从而引起合金液的自然对流。该对流又反过来对温度分布、溶质分布及凝固组织产生影响。恒定的电磁场可以抑制自然对流，而交变磁场可以施加强制对流。对这两种电磁场的合理利用可有效地进行凝固过程、凝固组织和成分偏析的控制。 通过自由落体、快速加速和减速运动(如飞行过程)、离心运动、太空条件的利用可改变重力加速度的数值，达到控制凝固过程的目的。其中微重力凝固已成为凝固过程控制的前沿课题。 凝固技术的进展除了反映在人们对传统铸锭和铸件凝固过程进行优化控制，使其质量得到提高外，还表现在各种全新的凝固技术的形成。如定向凝固、快速凝固、连续铸造、连铸连轧、半固态铸造、铸造法复合材料制备技术、电磁铸造、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，还推动了各种新材料的研制和发展。,随着科学技术的不断进步和交叉学科研究的进展，凝固技术也将不断产生新的生长点。在不远的将来可望取得较大进展并获得工程应用的凝固技术可能来自以下几个方面： 1) 从节能、节约材料和加工工时的角度出发，发展直接获得近终形产品(铸件、型材等)的凝固技术。这些产品在凝固过程完成后将不需加工或仅通过简单的处理或裁剪即可使用。 2) 利用凝固技术制备具有复杂组织和相变过程的新材料。凝固技术将成为实现材料成分与组织设计新思路的重要手段。 3) 对液态金属结构的进一步揭示，可能通过新的物理或化学方法对合金液进行预处理，达到控制凝固组织的目的。 4) 采用新的加热和制冷方法对凝固过程的热平衡条件进行更有效的控制。,
