金属凝固原理第一章概论第一章概论第一章概论第一章概论第一章概论第一章概论第一章概论第一章概论第一章概论第一章概论第一章概论第一节液态金属凝固学的研究对象研究手段：实验数学解析数值模拟物理模拟三、凝固理论与技术研究的重点1、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。（单项凝固、多相凝固）2、合金成分确定后，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。3、合金液的结构对凝固过程与组织有重要影响，如合金液的预处理（过热处理、微合金化处理）。16四、研究对象尺度变化对凝固过程的控制因素和环节的影响研究对象是单一过程（L→S），但研究对象尺度大小的变化使凝固过程的控制因素和环节具有本质的差别。例：小尺寸铸件金属型快速凝固凝固时间极短（几秒）溶质的扩散和对流的作用将不明显，导热成为SP的控制环节。大铸件（数十吨、上百吨）砂型凝固时间极长（几小时、上百小时）溶质扩散对SP中的对流影响极大，元素的宏观偏析也成为SP研究与控制的主要问题。五、工业生产中常见的V冷（SP中的V冷是凝固条件的主要指标）大型铸件：10-3~10-2℃/S普通铸件：10-3~102℃/S普通雾化工艺生产金属粉末：103℃/S快速雾化工艺生产金属粉末：104℃/S雾化沉积、单辊法、激光表面重熔（快速凝固RS）106~109℃/S六、凝固原理地位和作用六、凝固原理地位和作用宝马汽车发动机“王冠上的明珠”航空发动机是航空航天器的核心部件，其发展水平已成为一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一。人类航空史上航空动力技术的每一次重大革命性进展，无不与凝固技术的突破和进步相关。“金融经济”、“网络经济”、“知识经济”等意识的强烈冲击→传统的金属材料成形加工工业被看成了“老气横秋”的“夕阳工业”。但是，美国的经验告诉我们，任何过分强调发展第三产业的重要性，而忽视制造业对国民经济健康发展重要性的作法，都将降低其制造业产品的国际竞争力。日本、德国汽车工业的快速崛起，美国制造业世界霸主地位的丧失和美国汽车在国际市场上竞争力的下降，使美国政府和专家充分认识到制造业的重要性，从而提出了一系列先进制造技术的发展战略，以提高其制造业的技术水平和产品的竞争力。20世纪90年代，包括材料加工、成形新技术等“先进制造技术”被列入美国“国家关键技术计划”。德国工业4.0，我国“中国制造2025”。七、液态凝固理论发展目前已经形成了一个较为完整的凝固材料体系。凝固技术已从公认的常规条件下的凝固发展到超常条件和特殊条件下的凝固（快速凝固、空间凝固、超高压凝固、深过冷凝固、激光（高能束）快速熔化凝固等）。液态成形原材料的丰富、非常规凝固技术的研发、计算机计算能力的提高以及基础学科新成就在凝固科学研究中的应用，使人们认识到经典理论的局限性，并向经典理论提出了挑战。新兴和超常条件下的凝固技术中的新现象和相应的科学问题，即远平衡和极端不平衡情况下的凝固问题已经成为今后凝固理论研究的重点内容。西北工业大学发现了凝固组织形态选择的相关性和历史相关性现象，并用实验证实了一定条件下枝晶生长间距也不是唯一的。中国科学院沈阳金属所和山东大学分别采用分子动力学方法从原子尺度层次上研究了合金凝固的微观过程，取得了创新性的研究成果。我国著名材料及冶金学家傅恒志院士从历史演进、材料发展、学科交融、基础理论以及凝固本身的内涵与客观需求考虑，提出凝固已不再局限于铸造和焊接领域，凝固应作为大科学（BigScience）对待，应强调它的综合性、基础性、实践性、工程性、前沿性与创新性，从更高、更广阔的角度来要求它，发展它。整体思维、局部思维、逆向思维、多向思维、综合思维（普遍性、特殊性）第二节凝固过程的研究方法第三节液态金属（合金）凝固理论研究的进展二、现代凝固技术（一）上世纪50—60年代，经典凝固理论诞生时期1、在一代大师B.Chalmers（多伦多大学）的指导下，TillerJackson和Rutter于50年代初期在对凝固界面附近溶质分布求解的基础上提出了著名的成分过冷理论，首次将传质和传热因素耦合起来分析凝固过程组织形态问题。2、JacksonHunt提出了枝晶和共晶合金凝固过程扩散场的理论解，并在此基础上获得枝晶及共晶间距与凝固条件（G.R）的关系式，得到许多实验的支持。Jackson-Hunt模型下推出共晶片间距λ与凝固速率R的平方根成反比。3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶质再分配方程等理论模型。4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸造工艺设