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金属凝固原理第一章概论第四次工业革命→2014年德国汉诺威工业博览会4月7日至11日举行。“工业4.0”概念受到关注。早在2006年，联邦政府《高技术战略2020》，即《未来项目—“工业4.0”》。中国制造2025---十三五规划----中国梦高度智能化--信息化--对人才的要求--跨界能力第一章概论怎样具有跨界能力？中西教育的差距？不出国能不能赶上？怎样赶上？为什么读研？职业规划？人生规划？如何实现？→为什么活着？怎样活得的更好？我应该在有限的时间内培养哪些技能？第一章概论基本思路：人文修养的提升—整体思维、逻辑思维能力、文字处理能力、搜索能力（搜商）、批判性的思维。雾里看花----怎样看得清清楚楚，明明白白？归纳总结，找相同找不同，为什么相同，为什么不同？第一章概论学而不思则罔思而不学则殆温故而知新“虽有嘉肴，弗食不知其旨也；虽有至道，弗学不知其善也。是故学然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰：教学相长也。”--《礼记.学记》第一章概论推荐相关的书籍：•肖纪美宏观材料导论2014.12•材料学方法论1994•李庆春等铸件形成理论1982•胡汉起金属凝固原理•关绍康等材料成型基础•周尧和胡壮麒介万奇凝固技术第一章概论•FlemingMG,SolidificationProcessing.•KurzW,FickerDJ.FoundamentalsofSolidification.Switzweland:TransPub.Ltd,1998汉译本《凝固原理》库尔兹和费希尔•大野笃美著，邢建东译，金属的凝固—理论、实践与应用。第一章概论中国制造2025从工业大国到工业强国第一章概论中国制造2025从工业大国到工业强国第一章概论先进材料是关键支撑：金属材料、无机非金属材料、高分子材料。凝固：局限于金属材料？第一章概论凝固（solidification）：液态向固态的相变过程。凝固：凝聚、凝结、固结一种极为普遍的物理现象，广泛存在于自然界和工程技术领域。例：水→冰火山熔岩→固化高分子材料成形过程中是否也存在？水泥的凝固过程？粉末冶金过程？与结晶的区别与联系？第一章概论凝固原理（solidificationprinciple）：凝固学，本课程以金属为主要研究对象—金属凝固或液态金属凝固学。第一节液态金属凝固学的研究对象一、研究对象和内容研究对象：液态金属→固态的过程。研究内容：是研究液态金属（合金）转变成固态金属（合金）这一凝固过程的理论及技术，定性地特别是定量地揭示其内在联系和规律，发现新现象，探求未知参数，开拓新的凝固技术和工艺。二、液态金属凝固学的理论基础物理化学、金属学、传热学、传质学、动量传输学等，在此基础上，阐述液态金属的结构和性质，晶体的生核及长大，宏观组织及其控制等内容。研究手段：实验数学解析数值模拟物理模拟相变热力学：相平衡界面化学平衡凝固动力学：溶质再分配形核生长化学反应传输现象：传热传质对流控制手段：温度场控制（冷却方式）机械力物理场：电磁力、超重力、微重力化学方法：晶粒细化、变质、孕育处理宏观组织（晶粒形态与尺寸）微观组织（亚晶界、枝晶间距、次生相）强化相尺寸、形态及分布多相合金的相结构组织均匀性成分均匀性（宏观偏析与微观偏析）组织致密性气孔、夹杂应力、变形、开裂晶体结构缺陷非晶、微晶、纳米晶及非平衡晶形状完整性力学性能物理性能化学性能凝固过程理论模型研究指导揭示完善控制（实践）获得要求三、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合成与加工化学成分使用性能(ServicePerformance)性质理论及材料设计环境影响结构（组织）材料科学与工程的内涵四、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载人飞船嫦娥一号飞行云迹实拍图“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、液态凝固理论发展凝固理论研究核心为“凝固过程中的组织演变及其控制”,主要包括形核和生长两方面的内容。科学、系统研究始于近代。文献记载，最早可以追溯到1714年，但到20世纪40年代，一般认为国内外尚无公认的凝固理论，而只有铸冶工艺。近几十年来，随着工业及科学技术的发展，通过以科学研究为轴线的实践→理论→再实践的发展、积累与总结，逐渐形成了现代凝固理论的基本框架。目前已经形成了一个较为完整的凝固材料体系。凝固基础理论已从最初的晶体结构和生长形态等显微层次上研究，发展到从原子、分子层次上研究生长界面和熔体结构以及质、热输运和界面反应动力学等问题，形成了包括晶体形核理论、输运理论、界面稳定性理论、界面结构理论、界面动力学理论和负离子配位多面体模型等理论体系。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凝固过程中除了S—L界面迁移外，还伴随传热、传质、液相流动和固相运动。这些过程不仅对固液界面的迁移速率及形态产生影响，而且这些场量之间互相影响，是一个非常复杂的过程。1、数字解析方法2、数值计算方法3、实验方法第三节液态金属（合金）凝固理论研究的进展一、古代凝固技术5000年冶铸技术，前3000年主要是青铜器，后2000年主要是铁器。1978年湖北随县出土的编钟，64件8组（2400年前战国初期铸造的）明永乐18年（公元1418~1422年）铸造北京大钟寺的永乐大钟，4.6吨，5.84×3.3(内2.9)m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。oLoolLkDkcmRG)1(（只有扩散，无对流）产生“成分过冷”的判据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。21AR)(2smDAlL3、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计的理论依据之一。22kt)]([)(2112siTTcLTTbk浇→凝固层厚度→凝固系数（二）60年代后，研究工作重点放在经典凝固理论的应用上1、如钢锭的质量控制，连铸钢锭的电磁搅拌。2、以提高质量，降低原材料和能源消耗为目标的优质铸件理论与技术，快速凝固技术，定向solidifation，半固态铸造在这一时期诞生。3、通过大量的实验研究，Chalmers及大野笃美等人提出“激冷等轴晶游离”理论，Jackson、Southi等人提出“枝晶熔断”及“结晶雨”理论，以此为指导可有效控制结晶过程和凝固组织。在这些理论的基础上，机械及超声波振动、机械及电磁液相搅拌、孕育处理、变质处理等技术得以发展与推广并仍在不断改进及完善。4、最近20年①极端条件下SP的研究（如RS、超重力、微重力、超高压）。②计算机，凝固过程模拟和凝固过程控制。我国铸造技术的发展1.古代铸造技术成就商周陶范铸造:陶范制作在商周时期已非常精细，并皆有面料、背料之分，可铸造剑和编钟。战国《考式记》：记载六种锡青铜的配比，称为“六齐”，说明该时期对锡青铜成分与组织、性能的关系已有规律性的认识。传统失蜡法：湖北、河南近年出土了春秋、战国时期的失蜡铸件。明代《天工开物》上就有记载失蜡法的工艺过程。生铁冶炼技术：周朝末年，开始有了铸铁。铁制农具发展很快。秦汉以后，耕田的农具：锄、鎌、犁、锹等都是铁制品。生铁的早期发展，为整个中国的钢铁技术发展奠定了基础。铸铁金属型:铁范：早在战国时期，已用铁范成批铸造农具、手工工具。可锻铸铁、球墨铸铁：战国时期已有白心、黑心可锻铸铁。西汉时期此技术达成熟，成为铸作坊中的常规工艺。近年来发现近十件石墨为球形的铸铁农具。层叠铸造：王莽时代，一次铸184枚铜钱、河南温县窑出土的2000年前叠箱浇注的铸件，一组18个马嚼子。大型及特大型铸件：沧州铁狮子：公元953年：50吨；当阳铁塔：公元1061年，50吨；正定铜佛：公元971年：50吨；永乐大钟：公元1418年，46吨。对经济文化的重大影响：日常用语中：模范、范围、陶冶、铸成大错等来自于古代铸造术语。战国早期。1978年于湖北省随县（今随州市）擂鼓墩曾侯乙墓出土。尊是盛酒器，盘则是盛水器。出土时尊置于盘内，两件器物放在一起浑然一体。尊作喇叭状，高33.1厘米，口宽62厘米。宽沿上饰玲珑剔透的蟠虺