金属凝固理论：第一章--凝固热力学.ppt

第一章凝固热力学材料凝固概述状态函数界面张力溶质平衡分配系数自发过程判据凝固的热力学条件压力对平衡温度的影响化学位的概念*材料科学与工程金属凝固学*材料科学与工程金属凝固学第一节材料凝固概述一、凝固成形的基本问题和发展概况1、基本问题：凝固组织的形成与控制铸造缺陷的防止与控制铸件尺寸精度与表面粗糙度控制凝固组织包括晶粒大小、方向和形态；目前已建立了许多控制组织的方法，如孕育、动态结晶、定向凝固等。缩孔、缩松；偏析缺陷；裂纹。还有许多缺陷，如夹杂物、气孔、冷隔等，出现在填充过程中，它们不仅与合金种类有关，而且，还与具体成形工艺有关。铸件尺寸精度和表面粗糙度由于受到诸多因素（如铸型尺寸精度及型腔表面粗糙度、液体金属与铸型表面的反应、凝固热应力、凝固收缩等）的影响和制约，控制难度很大。通过冷却体表面的特殊涂层促进初生相的形核与游离关于形态控制-倾斜冷却体法未变质含Ti变质剂变质后通过变质处理，在熔体中形成大量TiC质点，成为碳化物异质形核基底。细化碳化物。关于形态控制-变质处理////未变质稀土（铈）变质稀土（铈）对Fe-B合金的变质原因是由于稀土硫化物Ce2O2S非自发形核的结果。引自《内蒙古科技大学学报》郭长庆等人的研究Fe2B形态改善稀土（铈）变质处理改善Fe2B形态通过熔体净化、变质处理，改善Fe2B形态通入氩气进行熔体净化变质元素在Fe2B表面富集抑制其生长变质处理前Fe2B形态变质处理后Fe2B形态通入氮气进行微合金化未变质稀土镁变质冲击韧度从13J/cm2提高至17.5J/cm2引自《铸造》李言祥等人的研究稀土镁变质处理改善Fe2B形态微观偏析示意关于偏析2、发展概况：金属凝固理论的发展凝固技术的发展计算机的应用近四十年来，从传热、传质和固液界面三个方面进行研究，使金属凝固理论有了很大的发展，包括凝固热力学与动力学、凝固过程的溶质再分配、固-液界面理论与晶体生长规律以及凝固过程中液态金属的流动等。定向凝固技术、快速凝固技术、复合材料制备、半固态铸造成形技术等。凝固过程数值模拟技术、快速样件制造技术、过程和设备运行的计算机控制。关于定向凝固技术铝合金组织锡单晶关于快速凝固技术气体雾化法合金粉末二、凝固过程中材料的物理性质与晶体结构的变化体积改变外形改变熵值改变产生凝固潜热晶体结构改变发生溶质再分配大多数材料在经历液－固转变时，其体积将缩小3－5％，原子的平均间距减小1－1.7％，导致缺陷形成的主要原因之一。材料发生液－固转变后，其外形将保持容器的形状，这就是铸造－古老而又年轻的工艺手段。表示一个体系的紊乱程度，熵值越大，体系越紊乱。当材料发生液－固转变时，熵值将减小，说明固体比液体的结构更“整齐”。亚共晶灰铸铁冷却曲线1200℃1500℃第二节凝固的热力学基础一、状态函数的概念1、热力学函数与状态函数－体系的吉布斯（Gibbs）自由能－热焓，体系等压过程中热量的变化－热量和温度的熵值，反映体系紊乱程度－体系的体积－体系的温度－体系的压力－等压热容2、状态函数之间的关系二、自发过程判据一、Helmholtz自由能最低原理：等温等容条件下体系的自由能永不增大；自发过程的方向力图减低体系的自由能，平衡的标志是体系的自由能为极小。判据二、Gibbs自由能判据：等温等压条件下，一个只做体积功的体系，其自由能永不增大；自发过程的方向是使体系自由能降低，当自由能降到极小值时，体系达到平衡。三、纯金属凝固的热力学条件等压条件下有：又：纯金属液、固两相自由能随温度的变化在熔点附近凝固时，热焓和熵值随温度的变化可忽略不计，则有：过冷度△T为金属凝固的驱动力，过冷度越大，凝固驱动力越大；金属不可能在T＝Tm时凝固。四、二元合金的稳定相平衡1、化学位的概念某一组元的化学位为1mol该组元物质的自由能，在多元合金系中，组元i的化学位可表示为：在恒温、恒压条件下，多元系统的自由能可表示为：对于二元系合金，若体系共有1mol，用代替，将上式展开得：2、相