个人介绍
凝固原理

主讲教师:

教师团队:共1

  • 李建国
学校: 上海交通大学
开课院系: 材料与工程学院
专业大类: 材料科学与工程
开课专业: 材料学

本系列介绍了凝固原理,“凝固原理”是金属材料工程专业学生的一门专业基础课程,这门课程主要介绍了凝固过程中的基本理论和各种液态金属成型方法的原理与特点。本系列课程系统地介绍了通过凝固形成晶体的基本理论,包括晶体的形核、生长、热量质量输运、固液界面形态及其稳定性、溶质再分配以及与此相关的缺陷的形成,并以固溶体、共晶和包晶三种基本合金组织形式为例进行了分析和数学处理。

教师团队

李建国

职称:教授

单位:上海交通大学

部门:材料科学与工程学院

职位:全国塑性工程学会常务理事

凝固原理

凝固

在一定压强下,液态的晶体物质,其温度略微低于熔点时,微粒便将规则地排列成为稳定的结构。开始是少数微粒按一定的规律排列起来,形成所谓的晶核,而后围绕这些晶核成长为一个个晶粒。因此,凝固过程就是产生晶核和晶核生长的过程,而且这两种过程是同时进行的。液态晶体凝固时的温度就是凝固点,温度等于该晶体的熔点,但概念不同,不同的晶体其凝固点亦不相同。

液态晶体物质在凝固过程中放出热量(称为凝固热,其数值等于熔化热),在凝固过程中其温度保持不变,直至液体全部变为晶体为止。

非晶体的液态物质,在凝固过程中,温度降低逐渐失去流动性,最后变为固体。在凝固过程它没有一定的凝固点,只是与某个温度范围相对应。

熔化是凝固的相反过程。

蛋白质凝固:变性蛋白质分子互相凝集为固体的现象称凝固。

凝固是物质存在的一种状态。与液体和气体相比固体有比较固定的体积和形状、质地比较坚硬。

通过其组成部分之间的相互作用固体的特性可以与组成它的粒子的特性有很大的区别。研究固体的物理科学叫固体物理学。一般来说,一个物体要达到一定的大小才能被称为固体,但对这个大小没有明确的规定。一般来说固体是宏观物体,除一些特殊的低温物理学的现象如超导现象、超液现象外固体作为一个整体不显示量子力学的现象。

液态金属结构

指在液态金属中原子或离子的排列或分布的状态。决定液态金属原子(或离子)分布规律的是原子之间的交互作用能。所有的关于液态金属结构的模型和理论,都是力图说明其原子排列与原子间交互作用能之间的关系,用一种比较严密的物理和数学表达式来描述结构,并用它来解释液态金属的各种物理化学性质。固态和气态都早已有了统一的描述结构和性质的较成熟的理论,如晶体理论和理想气体理论,而液态的结构至今尚未建立起类似的物理学和化学理论。 

   由于研究液态金属比研究固态金属困难,而且金属材料的应用状态大多是固态,液态金属应用较少,长期以来液态金属的研究进展缓慢。近二十多年来。由于新材料(如半导体材料、快冷微晶合金、非晶态金属等)和新技术的迅速发展,特别是液态金属用作载热体后,人们对液态金属结构和性质的兴趣激增。对金属熔液的结构、性质及其对固体的作用也开展了广泛深入的研究,正在形成一个重要的学科方向。 

   X射线衍射和中子衍射方法是直接测定液态金属结构迄今通用的最有效的实验手段(见金属和合金的微观分析),也有人用电子衍射法,但它更适合于测低密度液体结构,在测液态金属结构时不常用。 

铸件和铸锭

铸件

铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件,即把冶炼好的液态金属,用浇注、压射、吸入或其它浇铸方法注入预先准备好的铸型中,冷却后经落砂、清理和后处理等,所得到的具有一定形状,尺寸和性能的物件。

铸件应用历史悠久。古代人们用铸件作钱币、祭器、兵器、工具和一些生活用具。近代,铸件主要用作机器零部件的毛坯,有些精密铸件,也可直接用作机器的零部件。铸件在机械产品中占有很大的比重,如拖拉机中,铸件重量约占整机重量的50~70%,农业机械中占40~70%,机床、内燃机等中达70~90%。各类铸件中,以机械用的铸件品种最多,形状最复杂,用量也最大,约占铸件总产量的60%。其次是冶金用的钢锭模和工程用的管道、以及生活中的一些工具。

铸件也与日常生活有密切关系。例如经常使用的门把、门锁、暖气片、上下水管道、铁锅、煤气炉架、熨斗等,都是铸件。 铸件分类

铸件有多种分类方法:按其所用金属材料的不同,分为铸钢件、铸铁件、铸铜件、铸铝件、铸镁件、铸锌件、铸钛件等。而每类铸件又可按其化学成分或金相组织进一步分成不同的种类。如铸铁件可分为灰铸铁件、球墨铸铁件、蠕墨铸铁件、可锻铸铁件、合金铸铁件等;按铸型成型方法的不同,可以把铸件分为普通砂型铸件、金属型铸件、压铸件、离心铸件、连续浇注件、熔模铸件、陶瓷型铸件、电渣重熔铸件、双金属铸件等。其中以普通砂型铸件应用最多,约占全部铸件产量的80%。而铝、镁、锌等有色金属铸件,多是压铸件。

铸锭

铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。凝固之后,这些锭(或棒料、板坯或方坯,根据容器而定)被进一步机械加工成多种新的形状。

铸锭是铸态组织﹐有较大的柱状晶和疏松的中心。因此必须通过大的塑性变形将柱状晶破碎为细晶粒﹐将疏松压实﹐才能获得优良的金属组织和机械性能。

铸锭占整个金属铸件中的一大部分,分为3类:静态铸锭、半连续或直冷式铸锭和连续铸锭。

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