凝固理论-河北联合大学.ppt

凝固理论;绪论;课程性质

介于工艺和理论之间的课程

前期根底课：物理化学、传输原理、金属学

效劳课程：连铸工艺、冶炼工艺

课程在生产中的应用举例

高碳钢开发：结晶器锥度、水量、拉辊压力

焊条钢H08：气泡形成、中心缩孔

包晶钢Q215：裂纹敏感区、成分控制

铸坯缺陷形成：偏析裂纹、气泡、穿晶结构;课程内容

钢液结晶：结晶热力学、结晶动力学

凝固结构：树枝晶、铸坯结构

凝固传热：传热机构、凝固定律

凝固偏析：非平衡凝固、形成原理、控制措施

凝固收缩：缩孔、疏松、热裂纹形成

凝固气泡：凝固偏析原理应用

凝固夹杂：凝固偏析原理应用

凝固应力：高温力学行为、铸坯应力;第一章钢液结晶;第一节结晶热力学;结晶过程中自由能变化：L→S

ΔG=GS–GL=(HS–HL)–T(SS–SL)=ΔH-TΔS(1-1)

式中，Lf=–ΔH=–(HS–HL)0，结晶潜热或凝固潜热

当T=TL：ΔG=0那么ΔS=ΔH/TL=–Lf/TL

代入式〔1-1〕：ΔG=-(Lf/TL)ΔT(1-2)

式中，ΔT=TL–T

★过冷度：平衡结晶温度与体系实际温度的差值

〔1〕结晶必要条件：ΔT0，体系必须存在过冷度

〔2〕结晶必然途径：ΔH0，传热是结晶和凝固的必然途径

〔3〕潜热的意义：相变热，无温度变化的伴随

相变动力学：结晶过程是通过形核和生长的方式进行的

形核方式：均质形核非均质形核;第二节均质形核;★设晶核为球形，半径为r：按能量最小原那么，晶核应为球形

ΔGV=4πr3ΔG/3ΔGF=4πr2σ

式中，ΔG—结晶时单位体积自由能变化

σ—晶核与液相间的界面张力

形核引起的系统总自由能变化

ΔGΣ=ΔGV+ΔGF

=–(4πr3LfΔT)/(3TL)+4πr2σ〔1-3〕

★σ、Lf、TL为常量，ΔT和r是影响ΔGΣ的主要因素;ΔGΣ=ΔGV+ΔGF

=–(4πr3LfΔT)/(3TL)+4πr2σ

r很小时，r3?r2，ΔGΣ0

r较大时，r3?r2，ΔGΣ0

★在ΔT一定时，ΔGΣ与r如下图

临界半径：当形核过程中系统自由能到达最大值时的晶核半径。;形核功：形核过程中系统自由能变化的最大值。

又称“能障”，ΔG*;影响形核的因素

〔1〕晶核半径：晶核半径为r

rr*：晶核长大导致系统自由能增加，

新相不稳定而熔化；

rr*：晶核长大导致系统自由能减少，

新相能稳定生长；

rr*：形核和晶核溶解处于平衡

★在一定过热度下，只有当形成的晶核的半径大于临界半径时，晶核才能生存和长大。;影响形核的因素

〔2〕体系自由能

★只有体系具有更高的自由能〔ΔG*〕，

晶核才能生存，并进一步长大。

因此，ΔG*才称为“能障”

〔3〕过冷度ΔT;液体结构：近程有序

熔点附近金属由许多原子团组成：液相、固相密度7000，7400kg/m3

原子团内原子呈规那么排列，表现为“显微晶体”

原子团能量有大有小，时大时小，即存在“能量起伏”

原子团平均直径随温度降低而增加

结论

〔1〕近程有序的原子团是形核的根底

★尺寸大的原子团可能半径高于r*，或能量超过ΔG*

〔2〕过冷度是形核的动力

过冷度增加：原子团半径和能量上升

过冷度增加：临界半径和能障下降;均质形核过冷度ΔT*

当过冷度到达某一临界值ΔT*时，原子团rr*、

ΔGΔG*，原子团变成晶核，并开始长大。

测量方法：根据形核率试验曲线测定;表2－1纯液体金属结晶过冷度;第三节非均质形核;最简单非均质形核过程：平面上形成一个球冠形晶核〔介稳态〕;形核前后界面能变化;形核前后体系自由能变化;非均质形核与均质形核比较

从形核功比较;非均质形核与均质形核比较

从临界半径比较;非均质形核与均质形核临界过冷度比较;第二章结晶过程;一.溶质再分配现象

在平衡凝固过程中，存在溶质再分配现象铁碳相图

固液两相的溶质含量不同

不同温度下，固液两相的成分不断变化

溶质再分配：从生核开始直到凝固结束，在整个结晶过程中，固、液两相内部将不断进行着溶质元素的重新分布，这种现象称为溶质再分配〔redistribu