熔化潜热只有汽化潜热的3～7％。 液态与固态结构相似，尤在金属过热度不 太高（熔点以上100～300℃）的铸造条件下 更是如此。 2.直接法 X射线或中子线的结构分析研究液态金属的 原子排列情况。图1-4
二、金属液态结构（理想液态/纯金属）
1. （熔化－熔点以上不高的温度范围内）液体状 态的结构特点 （1）原子间结合能较强、平均原子间距增加不大、 原子排列在较小距离内具有规律性； （2）原子间结合部分破坏，原子集团，近程有序 （原子在十几～几百个原子组成的集团内规则排 列）; （3）由于能量起伏，原子集团处于瞬息万变状态； （4）原子集团内，公有电子，金属导电；空穴间， 自由电子跟随正离子运动，离子导电；most金属 熔化时电阻率能突然增加约1～2倍（半导体金属 则减小）。 （5）温度高——原子集团平均尺寸小、“游动”速 度快。

Jackson和Hunt： （1）提出枝晶和共晶合金凝固过程扩散场的理 论解； （2）枝晶、共晶间距与凝固条件之间的关系； （3）试验验证。 Flemings: 考虑凝固过程两相区内的液相流动效应， 提出： 局部溶质再分配方程等理论模型

BEHHHK： 凝固过程的传热问题； 为铸造过程控制的科学化提供理论依据。 Chvorinov： 凝固冷却曲线分析， （1）引入铸件模数概念； （2）建立平方根定律：铸件凝固层厚度— 铸件凝固时间的数学模型。

2. 根据上述特点，提出关于金属液态结构 的理论 （1）空穴理论： 由原子集团（规则排列、近程有序）、 空穴组成，能量起伏大、热运动激烈。 （2）紊乱排列的密集球堆理论（贝纳尔） 液体金属是均质、密集、紊乱排列的原 子集合体。

三、实际金属的液态结构
（1）微观上： 游动原子集团（成分和结构不同）、 空穴和许多固态、气态或液态的化合物组 成，是一种“混浊”的液体；
二、金属的加热膨胀

膨胀原因：
（1）原子间距增大： 势能曲线不对称性，图1-2
（2）空穴产生： 能量起伏
三、金属的熔化

1. 熔点附近：离位原子多
熔化始于晶界，晶界原子排列相对不规则，势能 高，离位原子多，空穴数目可达到原子总数10%。

2. 熔点：固态——液态状态突变
（1）外界能量足够大时——熔化潜热，原子间距 离大于R1，原子结合键破坏，固态——液态 （2）性质突变：体积突变；电阻、粘性突变。
绪论

金属的液态成形与凝固的关系

凝固过程研究的对象 凝固理论的研究进展

金属的液态成形与凝固的关系
液态成形定义： 又称铸造，是将金属熔化——充满型腔（良 好流动性的液态，重力场或其它力（压力、离心 力、电磁力等））——凝固和冷却——铸件（铸 型型腔形状的制品） 液态成形技术（铸造）特点： （1）使用范围广，可生产各种形状和大小的铸件； （2）较高的尺寸精度； （3）成本低廉。

3. 熔化实质：规则的原子排列突变为紊乱的非晶 质结构的过程。
§1-2 液态金属的结构

一、液态金属结构的研究方法 1. 间接法
S－l，S－g转变后物理性质变化，判断原子结合情况； （1）体积和熵值变化 S－l：体积增加3～5％，原子平均间距增加1～ 1.5%； S－g：体积无限膨胀； （2）熔化潜热与汽化潜热 S－l(熔化潜热)：原子结合键破坏百分之几； S－g（汽化潜热）：原子间结合键全部破坏；


凝固学 研究从液态 ——固态转变过程的基本理论一门学科
（1）定性/定量揭示液—固转变规律、内在联系； （2）影响因素（金属性能、质量）

液态成形与凝固关系
液态成形过程就是凝固过程
凝固过程的研究对象


液-固相变过程 宏观：液态——固态转变的相变过程； 微观：激烈运动的液相原子——规则排列固相 化学成分——相图——凝固特性 合金成分确定后，凝固理论与技术研究重点： （1）液体流动； （2）传热； （3）传质。
次点名）＝100％

作业要求：认真回答、方法思路
第一章 液态金属的结构和性质
§1-1 金属的膨胀及熔化

一、晶体中的原子结合 1. 在一定条件下，金属中的原子具有一定排列， Why? （1）引力：异性电荷间的库仑引力； （2）斥力：同性电荷间的库仑斥力与泡利原理引 起的斥力之和。 2. 图1-1 3. 公式推导证明 特殊点：平衡点（合力为零，势能最小）、引 力最大点。
（2）化学键： 金属键、其它多种类型的化学键。
§1-3 液态金属的性质

一、液态金属的粘滞性
1. 粘滞性本质：质点间（原子间）结合力的大小。 （1）动力粘度 a. 液体粘滞流动定律（牛顿）
b. 液态结构理论（弗兰克尔）
（2）运动粘度：
大——惯性大——紊流倾向大
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2. 影响粘度的因素
（1）温度 T0， 反比，T高，小；

本课程内容安排
32学时=28h（讲课）+4h（实验一、二）
第一章 第二章 第三章 第四章
理解 理解 理解、掌握 重点掌握 凝固 液态
第五章 第六章
重点 了解、掌握
固态 凝固新技术

本课程主要任务： 液态金属结晶基本规律; 铸件结晶组织的形成及控制途径

成绩评定：考试80％＋平时20％（作业、5

日本大野笃美： （1）提出晶粒游离和晶粒增殖理论； （2）用动态观点研究和分析凝固过程。 中国西北工业大学： （1）发现凝固组织形态选择的时间相关性和历史相 关性现象； （2）一定条件下，枝晶生长间距不唯一，而是根据 生长历史不同而变化，凝固形态选择具有非平衡 自组织花样特征。 中国科学院沈阳金属研究所： （1）超高压凝固的非晶形成规律； （2）电磁力、离心力、重力叠加作用下的凝固行 为； （3）发现一些新的亚稳定相和具有分形结构的自 组织。

熔体冷却速度——反映凝固条件的重要物
理量


普通凝固——=10-3~102 ℃/s
快速凝固——= 106~109 ℃/s
凝固理论的研究进展
20世纪50年代初，Chalmers; Tiller， Jackson, Rutter 液-固界面形态研究，提出： （1）界面稳定性概念； （2）成分过冷理论： 成分过冷判据，传热、传质因素耦合分析 凝固过程的组织形态问题