第一讲凝固理论的发展概论剖析课件

第一讲 凝固理论的发展概论第一节第一节 什么是凝固什么是凝固 从工业生产到固态物理从工业生产到固态物理,在这些领域的许多过程中，凝固在这些领域的许多过程中，凝固(solidificationsolidification)现象都起着重要的作用。从成吨的大型铸锭，到中型的超合金精密铸现象都起着重要的作用。从成吨的大型铸锭，到中型的超合金精密铸件，直至相当小的高纯度晶体件，直至相当小的高纯度晶体(crystalcrystal)，都涉及到凝固。，都涉及到凝固。【凝固凝固】物质从液态转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的物质为晶态，物质从液态转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的物质为晶态，则凝固过程叫结晶。则凝固过程叫结晶。【因素因素】结晶与否由液态物质的黏度和冷却速度决定。结晶与否由液态物质的黏度和冷却速度决定。黏度小，冷却速度慢容易结晶；黏度小，冷却速度慢容易结晶；黏度大，冷却速度快则容易得到非晶态物质。黏度大，冷却速度快则容易得到非晶态物质。1 1河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【微观实质微观实质】从从微微观观来来看看，凝凝固固就就是是金金属属原原子子(atomatom)由由“近近程程有有序序(short short rangerange)”)”向向“远远 程程(long-distancelong-distance)有有 序序”的的 过过 渡渡(transitiontransition)，使使原原子子成成为为按按一一定定规规则则排排列列的的(tactictactic)晶晶体体；纯纯金金属属的的液液态态结结构构是是由由原原子子集集团团、游游离离原原子子、空空穴穴或或裂裂纹纹组组成成的的。原原子子集集团团由由数数量量不不等等的的原原子子组组成成，其其大大小小为为1010-10-10mm数数量级，在此范围内仍具有一定的规律性，成为量级，在此范围内仍具有一定的规律性，成为“近程有序近程有序”。【宏观现象宏观现象】从从 宏宏 观观(macrocosmicmacrocosmic)来来 看看，就就 是是 把把 液液 态态 金金 属属 储储 存存(depositeddeposited)的的热热量量(quantity quantity of of heatheat)传传给给外外界界而而凝凝固固成成一一定定形状的固体。形状的固体。凝固技术是以凝固理论为基础进行凝固过程控制的工程凝固技术是以凝固理论为基础进行凝固过程控制的工程技术，是对各种凝固过程控制手段的综合应用。其目标是以技术，是对各种凝固过程控制手段的综合应用。其目标是以尽可能简单、节约、高效的方法获得具有预期凝固组织的优尽可能简单、节约、高效的方法获得具有预期凝固组织的优质制品。质制品。2 2河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【传输过程传输过程】传热、传质（溶质扩散）和动量传输（对流）传热、传质（溶质扩散）和动量传输（对流）【物理场物理场】重力场、电磁场等。重力场、电磁场等。这些过程和场量在凝固过程中的演变规这些过程和场量在凝固过程中的演变规律及交互作用决定着凝固进程、凝固组织形律及交互作用决定着凝固进程、凝固组织形态和成分分布。态和成分分布。【凝固技术凝固技术】各种凝固过程控制方法的应用导致一系各种凝固过程控制方法的应用导致一系列凝固新技术的产生，如定向凝固、快速列凝固新技术的产生，如定向凝固、快速凝固、连续铸造、连铸连轧、半固态铸造、凝固、连续铸造、连铸连轧、半固态铸造、铸造法复合材料制备技术、电磁场控制铸铸造法复合材料制备技术、电磁场控制铸造、微重力凝固等。这些凝固技术不仅使得造、微重力凝固等。这些凝固技术不仅使得传统材料性能得到超常的发挥，还推动了各传统材料性能得到超常的发挥，还推动了各种新材料的研制和发展。种新材料的研制和发展。凝固过程是凝固过程是通过对各种通过对各种传输过程和传输过程和物理场的控物理场的控制实现的。制实现的。3 3河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院 金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型材、棒材、板材和线材。材、棒材、板材和线材。材、棒材、板材和线材。材、棒材、板材和线材。H 钢水包长水口中间包HiHHc注速Vs铸 坯二冷区，拉速：V，铸坯总重量M数据采集设备中间包钢水重量钢坯拉速1钢坯拉速nVnV1W大包钢水重量T计算机处理单元现场操作显示单元管理文档4 4河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院第二节第二节 凝固理论的发展阶段凝固理论的发展阶段 我国冶铸技术已有5000多年的历史：前3000年为青铜器时代，后2000年为铁器时代。铜器和铁器的制造是一个典型的熔化、凝固过程。商朝“钟鸣鼎食”是权贵的象征。司马迁论人能出类拔萃，富甲一方，实有非凡之毅力。盖人精打细算，勤奋节俭，乃生财致富之正途，故致富者必出奇制胜也。耕田务农乃繁重之业，而秦杨以之为一州首富。掘坟盗墓本为作奸犯科，而田叔以之起家兴旺。赌技博戏本为不良之行，而桓发以之而富甲一方。沿街叫卖为男人贱业，而雍乐成以之殷实富饶。贩脂卖膏为耻辱之业，而雍伯以之获利千金。卖水鬻浆本为小本经营，而张氏以之赚钱千万。磨刀砺剑本为雕虫小技，而郅氏以之列鼎而食。售羊胃肉脯乃微不足道之事，而浊氏以之车马成行。为马治为马治病乃低浅医术，而张里以之击钟佐食。彼等皆由于专心笃志而致富也。病乃低浅医术，而张里以之击钟佐食。彼等皆由于专心笃志而致富也。“钟鸣鼎食”之成语，即由此典故演变而来。古代豪门贵族吃饭时要奏乐击钟，用鼎盛着各种珍贵食品(敲着钟，列鼎而食）。故用“钟鸣鼎食”形容权贵的豪奢排场，旧时还形容富贵人家生活奢侈豪华。汉张衡西京赋：“击钟鼎食，连骑相过。”唐王勃滕王阁序：“闾阎扑地，钟鸣鼎食之家。”5 5河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院第二节第二节 凝固理论的发展阶段凝固理论的发展阶段 曾侯乙是一位名乙的曾国诸侯王。从楚惠王送给他的一件青铜镈上的三十一字铭文看，曾侯乙死于公元前433年或稍晚，通过对其尸骸的碳14测定，可以推定曾侯乙的死亡年代在公元前433年到公元前400年之间，他死时年龄在4245岁之间。综合考察其他材料，曾侯乙应当生于公元前475年或稍晚，约在公元前463年前后成为诸侯王，在位约三十年。出土文物表明，曾侯乙生前非常重视乐器制造与音律研究，兴趣广泛，同时也是擅长车战的军事家。1978年湖北随县出土的曾侯乙青铜器编钟，64件共分8组，可演奏中外名曲。它们是距今2400多年前战国初期铸造的。北京大钟寺的永乐大钟，是明永乐十八年（公元1418 1422）铸造的，重46t，高5.84m，外径3 3m，内径2.9m。钟体内外铸满笔画清晰的经文约22700个文字。其钟声优雅悦耳，可传数十里，堪称世界之最。由此可见，当时对青铜的化学成分和凝固过程的控制已达到很高的水平。6 6河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院19781978年湖北随县出土的曾侯乙青铜器编钟年湖北随县出土的曾侯乙青铜器编钟永乐大钟声传永乐大钟声传9090里里7 7河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院 Historically,simple cast objects(in copper)firstappeared before about 4000BC(Bronze Age)andwere,no doubt,a natural by-product of the pottersskill in handling the clay used in furnace andmould-making.The lost-wax(investment casting)process wasdeveloped in Mesopotamia as long ago as 3000BC.The production of renowned and highlysophisticated bronze castings of China began inabout 1600BC.Iron-casting in China began in about 500BC(Iron Age)but in Europe cast iron did not appear1902 until the 16th century8 8河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院近代凝固理论大约经历了以下几个阶段近代凝固理论大约经历了以下几个阶段:【阶段一阶段一阶段一阶段一】2020世纪世纪世纪世纪6060年代前诞生了经典的凝固理论年代前诞生了经典的凝固理论年代前诞生了经典的凝固理论年代前诞生了经典的凝固理论（1 1）1945-19501945-1950年美国哈佛大学年美国哈佛大学D.TURNBULLD.TURNBULL将将Volume-Webber-Becker-DoringVolume-Webber-Becker-Doring形形核理论引入凝聚态体系，创立凝固过程形核理论该理论认为凝固首先是成核，接核理论引入凝聚态体系，创立凝固过程形核理论该理论认为凝固首先是成核，接着是核心长大直至成为固态。着是核心长大直至成为固态。（2 2）在多伦多大学）在多伦多大学B.ChalmersB.Chalmers的指导下，许多著名的凝固学家脱颖而出。他们在的指导下，许多著名的凝固学家脱颖而出。他们在对凝固界面附近溶质分析求解的基础上，总结出对凝固界面附近溶质分析求解的基础上，总结出“成分过冷成分过冷”理论，并提出了可理论，并提出了可操作性的成分过冷判据：首次将传热和传质耦合起来，研究其对晶体生长方式和操作性的成分过冷判据：首次将传热和传质耦合起来，研究其对晶体生长方式和形态的影响。形态的影响。19611961年出版了国际上第一本凝固理论专著年出版了国际上第一本凝固理论专著“Principles of Principles of Solidification”Solidification”（3 3）FlemingsFlemings（MITMIT）等从工程的角度出发，研究了两相区内液相流动效应，提出）等从工程的角度出发，研究了两相区内液相流动效应，提出了局部溶质再分配方程等理论模型推动了凝固科学的发展。了局部溶质再分配方程等理论模型推动了凝固科学的发展。（4 4）捷克的）捷克的ChvorinovChvorinov通过对大量逐渐凝固冷却曲线的分析，引入了铸件模数（通过对大量逐渐凝固冷却曲线的分析，引入了铸件模数（按按照模数理论，铸件的凝固时间取决于它的体积和传热表面积的比值，其比值称为照模数理论，铸件的凝固时间取决于它的体积和传热表面积的比值，其比值称为凝固模数，简称模数，用凝固模数，简称模数，用M=V/A(cm)M=V/A(cm)表示表示 ）的概念，建立了求解铸件凝固层厚）的概念，建立了求解铸件凝固层厚度和铸件凝固时间的数学方程，导出了著名的平方根定律。该定律仍是今日铸造度和铸件凝固时间的数学方程，导出了著名的平方根定律。该定律仍是今日铸造工艺设计的重要理论依据之一。工艺设计的重要理论依据之一。9 9河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【阶段二阶段二阶段二阶段二】2020世纪世纪世纪世纪6060年代后经历了较长时间内的应用研究与新技术开发年代后经历了较长时间内的应用研究与新技术开发年代后经历了较长时间内的应用研究与新技术开发年代后经历了较长时间内的应用研究与新技术开发 在此后的较长一段时间内，研究的重点放在经典理论的应用上，以在此后的较长一段时间内，研究的重点放在经典理论的应用上，以提高材料的质量，降低产品的成本，以便用低的消耗获得优质产品。出提高材料的质量，降低产品的成本，以便用低的消耗获得优质产品。出现了先进的凝固技术和材料成形方法，积累了大量的凝固过程参数，为现了先进的凝固技术和材料成形方法，积累了大量的凝固过程参数，为凝固学的进一步发展奠定了基础。凝固学的进一步发展奠定了基础。包括：包括：快速凝固；快速凝固；快速凝固；快速凝固；定向凝固；定向凝固；定向凝固；定向凝固；等离子熔化技术；等离子熔化技术；等离子熔化技术；等离子熔化技术；激光表面重熔技术；激光表面重熔技术；激光表面重熔技术；激光表面重熔技术；半固态铸造；半固态铸造；半固态铸造；半固态铸造；扩散铸造；扩散铸造；扩散铸造；扩散铸造；调压铸造。调压铸造。调压铸造。调压铸造。定向结晶装置原理图 1010河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【阶段三阶段三阶段三阶段三】近代，凝固学的发展进入了新的历史时期近代，凝固学的发展进入了新的历史时期近代，凝固学的发展进入了新的历史时期近代，凝固学的发展进入了新的历史时期 对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出来，对经典理论的局限性有了进一步的认识：对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出来，对经典理论的局限性有了进一步的认识：(1)1964(1)1964年日本的大野笃美，受北大西洋冰山的启发，用氯化铵水溶液模年日本的大野笃美，受北大西洋冰山的启发，用氯化铵水溶液模年日本的大野笃美，受北大西洋冰山的启发，用氯化铵水溶液模年日本的大野笃美，受北大西洋冰山的启发，用氯化铵水溶液模 拟钢液凝固做了大量的试验研究，提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论，拟钢液凝固做了大量的试验研究，提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论，拟钢液凝固做了大量的试验研究，提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论，拟钢液凝固做了大量的试验研究，提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论，并发现了凝固前沿并发现了凝固前沿并发现了凝固前沿并发现了凝固前沿“过冷度减小过冷度减小过冷度减小过冷度减小”的概念，从而使人们从静止的观点发的概念，从而使人们从静止的观点发的概念，从而使人们从静止的观点发的概念，从而使人们从静止的观点发 展到用动态的观点来分析凝固过程。展到用动态的观点来分析凝固过程。展到用动态的观点来分析凝固过程。展到用动态的观点来分析凝固过程。19731973年出版了年出版了年出版了年出版了“金属凝固学金属凝固学金属凝固学金属凝固学”。(2)1965-1968(2)1965-1968牛津大学材料系牛津大学材料系牛津大学材料系牛津大学材料系J.D.HuntJ.D.Hunt教授创立教授创立教授创立教授创立J-HJ-H经典共晶生长理论经典共晶生长理论经典共晶生长理论经典共晶生长理论 (3)1982(3)1982年哈佛大学应用科学部年哈佛大学应用科学部年哈佛大学应用科学部年哈佛大学应用科学部M.J.AZIZM.J.AZIZ博士提出快速凝固溶质截留理论博士提出快速凝固溶质截留理论博士提出快速凝固溶质截留理论博士提出快速凝固溶质截留理论 (4)(4)特别令人感兴趣的是，由干计算机和计算技术的发展，能定量地描述液特别令人感兴趣的是，由干计算机和计算技术的发展，能定量地描述液特别令人感兴趣的是，由干计算机和计算技术的发展，能定量地描述液特别令人感兴趣的是，由干计算机和计算技术的发展，能定量地描述液态金属（合金）的凝固过程，可以对凝固过程和凝固缺陷进行预测采用对凝固过程态金属（合金）的凝固过程，可以对凝固过程和凝固缺陷进行预测采用对凝固过程态金属（合金）的凝固过程，可以对凝固过程和凝固缺陷进行预测采用对凝固过程态金属（合金）的凝固过程，可以对凝固过程和凝固缺陷进行预测采用对凝固过程的数学模型和计算机辅助设计的方法能有效地控制凝固过程，以最小的投入，获得的数学模型和计算机辅助设计的方法能有效地控制凝固过程，以最小的投入，获得的数学模型和计算机辅助设计的方法能有效地控制凝固过程，以最小的投入，获得的数学模型和计算机辅助设计的方法能有效地控制凝固过程，以最小的投入，获得大的产出。在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。大的产出。在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。大的产出。在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。大的产出。在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。它们将温度场、应力场、流动场耦台起来进行研究，其结果更接近于实际。它们将温度场、应力场、流动场耦台起来进行研究，其结果更接近于实际。它们将温度场、应力场、流动场耦台起来进行研究，其结果更接近于实际。它们将温度场、应力场、流动场耦台起来进行研究，其结果更接近于实际。1111河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院 国内紧随其后，研究开发的凝固模拟软件，在科研和实国内紧随其后，研究开发的凝固模拟软件，在科研和实际生产中得到了较广泛的应用。际生产中得到了较广泛的应用。国内学者近年来在凝固学方面取得了很大的进展，中国国内学者近年来在凝固学方面取得了很大的进展，中国已成为国际凝固过程研究的重要成员之一。已成为国际凝固过程研究的重要成员之一。西北工业大学凝固技术重点实验室，发现了凝固组织形西北工业大学凝固技术重点实验室，发现了凝固组织形态选择的时间相关性和历史相关性的现象，并用实验验证了态选择的时间相关性和历史相关性的现象，并用实验验证了一定条件下枝晶生长间距也不是唯一的。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研究所快速凝固及非平衡合金国家中国科学院沈阳金属研究所快速凝固及非平衡合金国家重点实验室，在超高温条件下，研究非晶的形成规律时，发重点实验室，在超高温条件下，研究非晶的形成规律时，发现了新的亚稳态相和具有分形结构的自组织。现了新的亚稳态相和具有分形结构的自组织。1212河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院(1)金属材料制备；(2)金属材料的成形加工；(3)无机非金属材料的合成与晶体长；(4)非平衡新材料的研制；(5)凝固过程的多尺度、多学科建模与仿真。第三节第三节 金属凝固过程的研究对象金属凝固过程的研究对象研究研究研究研究对象对象对象对象1313河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院(1)1)【凝固组织的形成与控制凝固组织的形成与控制】凝固组织包括晶粒大小、形态等，能随心所欲地凝固组织包括晶粒大小、形态等，能随心所欲地获得所希塑的组织是长期以来人们所追求的目标之一。获得所希塑的组织是长期以来人们所追求的目标之一。(2)2)【凝固缺陷的防止与控制凝固缺陷的防止与控制】液态结晶收缩可形成缩孔、缩松；结晶期间固相液态结晶收缩可形成缩孔、缩松；结晶期间固相和液相中的再分配会造成偏析缺陷；冷却过程中热应和液相中的再分配会造成偏析缺陷；冷却过程中热应力的集中可能会造成铸件裂纹。在各种凝固成形方法力的集中可能会造成铸件裂纹。在各种凝固成形方法中，如何与缺陷作斗争仍是一个重要的基本问题。中，如何与缺陷作斗争仍是一个重要的基本问题。(3)3)【铸件尺寸精度和表面粗糙度控制铸件尺寸精度和表面粗糙度控制】铸件尺寸精度和表面租糙度要受到凝固成形方法铸件尺寸精度和表面租糙度要受到凝固成形方法和工艺中诸多因素的制约和影响，其控制难度很大，和工艺中诸多因素的制约和影响，其控制难度很大，这阻碍着近净成品铸造技术的发展。这阻碍着近净成品铸造技术的发展。第四节第四节 凝固过程基本问题凝固过程基本问题基本基本基本基本问题问题问题问题1414河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院 (1)1)【数学解析方法数学解析方法数学解析方法数学解析方法】数学解析包括数学模型的建立和数理方程的求解。在数学模型建数学解析包括数学模型的建立和数理方程的求解。在数学模型建数学解析包括数学模型的建立和数理方程的求解。在数学模型建数学解析包括数学模型的建立和数理方程的求解。在数学模型建立之后，需要寻找定解条件。这些定解条件包括几何形状条件，边界立之后，需要寻找定解条件。这些定解条件包括几何形状条件，边界立之后，需要寻找定解条件。这些定解条件包括几何形状条件，边界立之后，需要寻找定解条件。这些定解条件包括几何形状条件，边界条件和初始条件。条件和初始条件。条件和初始条件。条件和初始条件。(2)(2)【数值计算方法数值计算方法数值计算方法数值计算方法】当对已经建立的数学模型无法找到解析解的时候，采用数值计算当对已经建立的数学模型无法找到解析解的时候，采用数值计算当对已经建立的数学模型无法找到解析解的时候，采用数值计算当对已经建立的数学模型无法找到解析解的时候，采用数值计算方法是解决问题的有效途径。数值计算方法首先需要对已有的数学模方法是解决问题的有效途径。数值计算方法首先需要对已有的数学模方法是解决问题的有效途径。数值计算方法首先需要对已有的数学模方法是解决问题的有效途径。数值计算方法首先需要对已有的数学模型进行离散处理，将连续的变化过程转化为离散的数值点，一个凝固型进行离散处理，将连续的变化过程转化为离散的数值点，一个凝固型进行离散处理，将连续的变化过程转化为离散的数值点，一个凝固型进行离散处理，将连续的变化过程转化为离散的数值点，一个凝固问题便转变为计算问题。现代计算机技术和计算方法的发展使得可以问题便转变为计算问题。现代计算机技术和计算方法的发展使得可以问题便转变为计算问题。现代计算机技术和计算方法的发展使得可以问题便转变为计算问题。现代计算机技术和计算方法的发展使得可以找到数学模型的问题都能够通过数值计算方法解决。找到数学模型的问题都能够通过数值计算方法解决。找到数学模型的问题都能够通过数值计算方法解决。找到数学模型的问题都能够通过数值计算方法解决。(3)(3)【实验方法实验方法实验方法实验方法】实验不仅可以验证理论模型的合理性，而且对于尚且无法找到数实验不仅可以验证理论模型的合理性，而且对于尚且无法找到数实验不仅可以验证理论模型的合理性，而且对于尚且无法找到数实验不仅可以验证理论模型的合理性，而且对于尚且无法找到数学模型的过程，采用实验方法是解决问题的有效手段然而，由于受到学模型的过程，采用实验方法是解决问题的有效手段然而，由于受到学模型的过程，采用实验方法是解决问题的有效手段然而，由于受到学模型的过程，采用实验方法是解决问题的有效手段然而，由于受到铸件尺寸、实验费用、场地、测试技术和方法的限制，有时无法直接铸件尺寸、实验费用、场地、测试技术和方法的限制，有时无法直接铸件尺寸、实验费用、场地、测试技术和方法的限制，有时无法直接铸件尺寸、实验费用、场地、测试技术和方法的限制，有时无法直接对实际凝固过程进行测试。对实际凝固过程进行测试。对实际凝固过程进行测试。对实际凝固过程进行测试。第五节第五节 凝固过程研究方法凝固过程研究方法研究研究研究研究方法方法方法方法1515河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院(1)(1)【凝固是金属材料生产过程中材料冶金质量控制的关键环节凝固是金属材料生产过程中材料冶金质量控制的关键环节凝固是金属材料生产过程中材料冶金质量控制的关键环节凝固是金属材料生产过程中材料冶金质量控制的关键环节】铸坯的凝固质量不仅影响后续的加工工艺，而且对最终产品的性能有铸坯的凝固质量不仅影响后续的加工工艺，而且对最终产品的性能有铸坯的凝固质量不仅影响后续的加工工艺，而且对最终产品的性能有铸坯的凝固质量不仅影响后续的加工工艺，而且对最终产品的性能有重要影响。重要影响。重要影响。重要影响。(2)(2)【凝固过程与控制是制造业的基本方法和关键技术之一凝固过程与控制是制造业的基本方法和关键技术之一凝固过程与控制是制造业的基本方法和关键技术之一凝固过程与控制是制造业的基本方法和关键技术之一】铸造技术因其可低成本生产复杂形状构件而成为机械制造业关键技术。铸造技术因其可低成本生产复杂形状构件而成为机械制造业关键技术。铸造技术因其可低成本生产复杂形状构件而成为机械制造业关键技术。铸造技术因其可低成本生产复杂形状构件而成为机械制造业关键技术。(3)(3)【凝固是新材料研制的重要手段凝固是新材料研制的重要手段凝固是新材料研制的重要手段凝固是新材料研制的重要手段】凝固技术是非平衡凝固成为非晶、准晶、纳米等非平衡新材料研制的凝固技术是非平衡凝固成为非晶、准晶、纳米等非平衡新材料研制的凝固技术是非平衡凝固成为非晶、准晶、纳米等非平衡新材料研制的凝固技术是非平衡凝固成为非晶、准晶、纳米等非平衡新材料研制的重要途径。重要途径。重要途径。重要途径。(4)(4)【控制熔化是新材料合成及材料加工的重要手段控制熔化是新材料合成及材料加工的重要手段控制熔化是新材料合成及材料加工的重要手段控制熔化是新材料合成及材料加工的重要手段】熔化过程的应用主要体现在半固态加工过程中溶质的扩散、液相形成与熔化过程的应用主要体现在半固态加工过程中溶质的扩散、液相形成与熔化过程的应用主要体现在半固态加工过程中溶质的扩散、液相形成与熔化过程的应用主要体现在半固态加工过程中溶质的扩散、液相形成与分布及固相形貌的控制。在熔焊过程中熔区的形成及其与固相界面的微分布及固相形貌的控制。在熔焊过程中熔区的形成及其与固相界面的微分布及固相形貌的控制。在熔焊过程中熔区的形成及其与固相界面的微分布及固相形貌的控制。在熔焊过程中熔区的形成及其与固相界面的微观形貌控制。在化合物材料的合成过程中，将出现化学反应、扩散、熔观形貌控制。在化合物材料的合成过程中，将出现化学反应、扩散、熔观形貌控制。在化合物材料的合成过程中，将出现化学反应、扩散、熔观形貌控制。在化合物材料的合成过程中，将出现化学反应、扩散、熔化与凝固耦合进行的过程。在熔化末期，研究各种难溶质点和原子集团化与凝固耦合进行的过程。在熔化末期，研究各种难溶质点和原子集团化与凝固耦合进行的过程。在熔化末期，研究各种难溶质点和原子集团化与凝固耦合进行的过程。在熔化末期，研究各种难溶质点和原子集团在熔体中的存在及其稳定性对于凝固组织中的晶粒控制以及非晶态材料在熔体中的存在及其稳定性对于凝固组织中的晶粒控制以及非晶态材料在熔体中的存在及其稳定性对于凝固组织中的晶粒控制以及非晶态材料在熔体中的存在及其稳定性对于凝固组织中的晶粒控制以及非晶态材料的制备均具有重要意义。的制备均具有重要意义。的制备均具有重要意义。的制备均具有重要意义。综上所述，凝固过程与控制及其相关的熔化过程研究是决定金属材综上所述，凝固过程与控制及其相关的熔化过程研究是决定金属材综上所述，凝固过程与控制及其相关的熔化过程研究是决定金属材综上所述，凝固过程与控制及其相关的熔化过程研究是决定金属材料制备水平和新材料研制能力的重要技术科学领域。料制备水平和新材料研制能力的重要技术科学领域。料制备水平和新材料研制能力的重要技术科学领域。料制备水平和新材料研制能力的重要技术科学领域。第六节第六节 凝固学科的战略地位凝固学科的战略地位战略战略战略战略地位地位地位地位1616河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院 (1 1发展近终形产品（铸件、型材等）的凝固技术；发展近终形产品（铸件、型材等）的凝固技术；发展近终形产品（铸件、型材等）的凝固技术；发展近终形产品（铸件、型材等）的凝固技术；(2)(2)利用凝固技术制备具有复杂组织和相变过程的新材料。利用凝固技术制备具有复杂组织和相变过程的新材料。利用凝固技术制备具有复杂组织和相变过程的新材料。利用凝固技术制备具有复杂组织和相变过程的新材料。(3)(3)对液态金属结构的进一步揭示，通过新方法对合金液进行预处理，控制凝固组织；对液态金属结构的进一步揭示，通过新方法对合金液进行预处理，控制凝固组织；对液态金属结构的进一步揭示，通过新方法对合金液进行预处理，控制凝固组织；对液态金属结构的进一步揭示，通过新方法对合金液进行预处理，控制凝固组织；(4)(4)利用多种物理场耦合，进行凝固组织与过程控制；利用多种物理场耦合，进行凝固组织与过程控制；利用多种物理场耦合，进行凝固组织与过程控制；利用多种物理场耦合，进行凝固组织与过程控制；(5)(5)采用新的加热和制冷方法对凝固过程热平衡条件进行更有效的控制；采用新的加热和制冷方法对凝固过程热平衡条件进行更有效的控制；采用新的加热和制冷方法对凝固过程热平衡条件进行更有效的控制；采用新的加热和制冷方法对凝固过程热平衡条件进行更有效的控制；(6)(6)远平衡条件下亚稳相的凝固，化合物晶体材料凝固界面过程，凝固过程晶体结构缺陷的远平衡条件下亚稳相的凝固，化合物晶体材料凝固界面过程，凝固过程晶体结构缺陷的远平衡条件下亚稳相的凝固，化合物晶体材料凝固界面过程，凝固过程晶体结构缺陷的远平衡条件下亚稳相的凝固，化合物晶体材料凝固界面过程，凝固过程晶体结构缺陷的 形成与演变等深层次的过程和现象；形成与演变等深层次的过程和现象；形成与演变等深层次的过程和现象；形成与演变等深层次的过程和现象；(7)(7)多尺度、多学科的凝固过程建模与仿真及其控制；多尺度、多学科的凝固过程建模与仿真及其控制；多尺度、多学科的凝固过程建模与仿真及其控制；多尺度、多学科的凝固过程建模与仿真及其控制；(8)(8)通过对熔化过程基本原理的研究，发展新的新材料制备、加工、合成及组织控制新技术；通过对熔化过程基本原理的研究，发展新的新材料制备、加工、合成及组织控制新技术；通过对熔化过程基本原理的研究，发展新的新材料制备、加工、合成及组织控制新技术；通过对熔化过程基本原理的研究，发展新的新材料制备、加工、合成及组织控制新技术；(9)(9)多元多相合金的凝固理论研究。现代凝固理论在简单二元合金的研究中已经取得很大进多元多相合金的凝固理论研究。现代凝固理论在简单二元合金的研究中已经取得很大进多元多相合金的凝固理论研究。现代凝固理论在简单二元合金的研究中已经取得很大进多元多相合金的凝固理论研究。现代凝固理论在简单二元合金的研究中已经取得很大进 展，但人们对工业上最有发展前途的多元多相合金体系凝固过程的认识则非常有限；展，但人们对工业上最有发展前途的多元多相合金体系凝固过程的认识则非常有限；展，但人们对工业上最有发展前途的多元多相合金体系凝固过程的认识则非常有限；展，但人们对工业上最有发展前途的多元多相合金体系凝固过程的认识则非常有限；(10)(10)复杂体系合金液态结构与凝固行为的热力学与动力学研究。在多组元合金液中存在着极复杂体系合金液态结构与凝固行为的热力学与动力学研究。在多组元合金液中存在着极复杂体系合金液态结构与凝固行为的热力学与动力学研究。在多组元合金液中存在着极复杂体系合金液态结构与凝固行为的热力学与动力学研究。在多组元合金液中存在着极其复杂的物理化学过程，不同元素间的相互作用、原子团簇的形成及其演变，乃至固相其复杂的物理化学过程，不同元素间的相互作用、原子团簇的形成及其演变，乃至固相其复杂的物理化学过程，不同元素间的相互作用、原子团簇的形成及其演变，乃至固相其复杂的物理化学过程，不同元素间的相互作用、原子团簇的形成及其演变，乃至固相微粒及其稳定性等。揭示合金的微观结构与演变规律是先进材料非平衡制备及凝固组织微粒及其稳定性等。揭示合金的微观结构与演变规律是先进材料非平衡制备及凝固组织微粒及其稳定性等。揭示合金的微观结构与演变规律是先进材料非平衡制备及凝固组织微粒及其稳定性等。揭示合金的微观结构与演变规律是先进材料非平衡制备及凝固组织控制的科学基础。为此需要重点研究的课题是：控制的科学基础。为此需要重点研究的课题是：控制的科学基础。为此需要重点研究的课题是：控制的科学基础。为此需要重点研究的课题是：(11)(11)高性能铸件精确成形原理与技术。精密化、薄壁化、轻量化、整体化、复合化和高性能高性能铸件精确成形原理与技术。精密化、薄壁化、轻量化、整体化、复合化和高性能高性能铸件精确成形原理与技术。精密化、薄壁化、轻量化、整体化、复合化和高性能高性能铸件精确成形原理与技术。精密化、薄壁化、轻量化、整体化、复合化和高性能代表了铸件生产代表了铸件生产代表了铸件生产代表了铸件生产 的发展方向，的发展方向，的发展方向，的发展方向，第七节第七节 凝固学科发展的趋势及理论问题凝固学科发展的趋势及理论问题发展发展发展发展方向方向方向方向1717河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院(1)1)进一步揭示凝固过程的深层次的自然规律。探索多组元合金的凝固规律及其描述进一步揭示凝固过程的深层次的自然规律。探索多组元合金的凝固规律及其描述进一步揭示凝固过程的深层次的自然规律。探索多组元合金的凝固规律及其描述进一步揭示凝固过程的深层次的自然规律。探索多组元合金的凝固规律及其描述 方法，物理场与温度场耦合作用下的凝固行为，近快速、快速、高压等极端条件方法，物理场与温度场耦合作用下的凝固行为，近快速、快速、高压等极端条件方法，物理场与温度场耦合作用下的凝固行为，近快速、快速、高压等极端条件方法，物理场与温度场耦合作用下的凝固行为，近快速、快速、高压等极端条件 下的凝固行为；下的凝固行为；下的凝固行为；下的凝固行为；(2)2)发展凝固过程的控制技术，促进金属材料制备过程的技术进步。以原材料冶金质发展凝固过程的控制技术，促进金属材料制备过程的技术进步。以原材料冶金质发展凝固过程的控制技术，促进金属材料制备过程的技术进步。以原材料冶金质发展凝固过程的控制技术，促进金属材料制备过程的技术进步。以原材料冶金质 量的控制、提高为目标，发展先进的凝固控制新方法，实现金属材料生产过程向量的控制、提高为目标，发展先进的凝固控制新方法，实现金属材料生产过程向量的控制、提高为目标，发展先进的凝固控制新方法，实现金属材料生产过程向量的控制、提高为目标，发展先进的凝固控制新方法，实现金属材料生产过程向 清洁、高效、低能耗、高品质的方向发展；清洁、高效、低能耗、高品质的方向发展；清洁、高效、低能耗、高品质的方向发展；清洁、高效、低能耗、高品质的方向发展；(3)3)发展成形控制与组织控制一体化新技术。实现铸件与焊接结构的形状、微观组织发展成形控制与组织控制一体化新技术。实现铸件与焊接结构的形状、微观组织发展成形控制与组织控制一体化新技术。实现铸件与焊接结构的形状、微观组织发展成形控制与组织控制一体化新技术。实现铸件与焊接结构的形状、微观组织 与力学性能的精确控制，探索凝固成形新技术，提高机械零件的整体制造水平；与力学性能的精确控制，探索凝固成形新技术，提高机械零件的整体制造水平；与力学性能的精确控制，探索凝固成形新技术，提高机械零件的整体制造水平；与力学性能的精确控制，探索凝固成形新技术，提高机械零件的整体制造水平；(4)4)发展非平衡凝固的理论与方法，促进新材料的研制。通过揭示快速、高压、深过发展非平衡凝固的理论与方法，促进新材料的研制。通过揭示快速、高压、深过发展非平衡凝固的理论与方法，促进新材料的研制。通过揭示快速、高压、深过发展非平衡凝固的理论与方法，促进新材料的研制。通过揭示快速、高压、深过 冷、高能束高速加热等条件下的非平衡凝固规律，结合材料的成分和结构设计，冷、高能束高速加热等条件下的非平衡凝固规律，结合材料的成分和结构设计，冷、高能束高速加热等条件下的非平衡凝固规律，结合材料的成分和结构设计，冷、高能束高速加热等条件下的非平衡凝固规律，结合材料的成分和结构设计，发展非晶、准晶、微晶、纳米等非平衡新材料的制备技术；发展非晶、准晶、微晶、纳米等非平衡新材料的制备技术；发展非晶、准晶、微晶、纳米等非平衡新材料的制备技术；发展非晶、准晶、微晶、纳米等非平衡新材料的制备技术；(5)5)加强学科的交叉，推动凝固技术在功能材料研制中的应用。发展化合物半导体、加强学科的交叉，推动凝固技术在功能材料研制中的应用。发展化合物半导体、加强学科的交叉，推动凝固技术在功能材料研制中的应用。发展化合物半导体、加强学科的交叉，推动凝固技术在功能材料研制中的应用。发展化合物半导体、铁电材料、非线性光学晶体等新材料的原料提纯、合成和单晶生长新技术；铁电材料、非线性光学晶体等新材料的原料提纯、合成和单晶生长新技术；铁电材料、非线性光学晶体等新材料的原料提纯、合成和单晶生长新技术；铁电材料、非线性光学晶体等新材料的原料提纯、合成和单晶生长新技术；(6)6)加强与信息学科的交叉，进一步推动科学计算及模拟技术在凝固过程中的应用。加强与信息学科的交叉，进一步推动科学计算及模拟技术在凝固过程中的应用。加强与信息学科的交叉，进一步推动科学计算及模拟技术在凝固过程中的应用。加强与信息学科的交叉，进一步推动科学计算及模拟技术在凝固过程中的应用。第八节第八节 凝固学科发展战略目标凝固学科发展战略目标战略战略战略战略目标目标目标目标1818河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院第九节第九节第九节第九节 凝固过程中材料的物理性质与晶体结构的变化凝固过程中材料的物理性质与晶体结构的变化凝固过程中材料的物理性质与晶体结构的变化凝固过程中材料的物理性质与晶体结构的变化（1）体积改变：大多数材料在经历液固转变时，其体积将缩小35，原子的平均间距减小11.7，是导致缺陷形成的主要原因之一。（2）外形改变：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。（3）熵值改变：熵值表示一个体系的紊乱程度，越大，体系越紊乱。*熵(entropy)是德国物理学家克劳修斯(Rudolf Clausius,1822 1888)在1850年发明的一个术语，用来表现任何一种能量在空间中散布的平均，用来表现任何一种能量在空间中散布的平均，用来表现任何一种能量在空间中散布的平均，用来表现任何一种能量在空间中散布的平均水平。能量散布得越平均，熵就越大，一般用符号水平。能量散布得越平均，熵就越大，一般用符号水平。能量散布得越平均，熵就越大，一般用符号水平。能量散布得越平均，熵就越大，一般用符号S S表示。表示。表示。表示。简单地说，熵是系统紊乱和无序程度的度量。熵值越大，紊乱无序的水平简单地说，熵是系统紊乱和无序程度的度量。熵值越大，紊乱无序的水平简单地说，熵是系统紊乱和无序程度的度量。熵值越大，紊乱无序的水平简单地说，熵是系统紊乱和无序程度的度量。熵值越大，紊乱无序的水平越大越大越大越大 。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”。1919河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院（4）产生凝固潜热：物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量，称为“显热”。它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。（如将水从20的升高到80所吸收到的热量，就叫显热。）在物体吸收或放出热量过程中，其相态发生了变化（如气体变成液体），但温度不发生变化，这种吸收或放出的热量叫“潜热”。“潜热”为不能用温度计测量出来，人体也无法感觉到，但可通过实验计算出来。饱和空气在吸收一定冷量（即放出热量）后，一部分水蒸气会相变成液态水，而此时饱和空气温度并不下降，这部分放出的热量就是“潜热”。2020河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院（5）晶体结构改变1200时液态金属原子的状态1500时液态金属原子的状态2121河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院（6）发生溶质再分配凝固过程的溶质再分配2222河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院第十节 钢的凝固现象 1.1.出炉钢水质量控制出炉钢水质量控制出炉钢水质量控制出炉钢水质量控制 2.2.钢水传递过程的物理化学现象钢水传递过程的物理化学现象钢水传递过程的物理化学现象钢水传递过程的物理化学现象 3.3.浇铸过程的流体流动现象浇铸过程的流体流动现象浇铸过程的流体流动现象浇铸过程的流体流动现象 4.4.钢液结晶与凝固结构钢液结晶与凝固结构钢液结晶与凝固结构钢液结晶与凝固结构 5.5.钢水凝固传热钢水凝固传热钢水凝固传热钢水凝固传热 6.6.凝固过程的偏析凝固过程的偏析凝固过程的偏析凝固过程的偏析 7.7.凝固坯壳应力凝固坯壳应力凝固坯壳应力凝固坯壳应力 8.8.凝固收缩凝固收缩凝固收缩凝固收缩 9.9.铸坯中的气体和夹杂铸坯中的气体和夹杂铸坯中的气体和夹杂铸坯中的气体和夹杂 1010保护渣保护渣保护渣保护渣 2323河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院1.1.出炉（出炉（出炉（出炉（tappingtapping）钢水钢水钢水钢水(molten steel)(molten steel)质量控制质量控制质量控制质量控制 包括：（1）钢水温度的控制，其中涉及到的内容有钢水温度控制的重要性(significance)、钢水温度控制的热工过程、合适浇注温度的确定。（2）钢水成分控制，其中涉及到的内容有钢中碳(carbon)含量(content)、氧(oxygen)含量（沸腾(ram)钢氧控制、半镇静钢氧控制、镇静钢(killed steel)氧控制）。2424河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院2.2.钢水传递钢水传递钢水传递钢水传递(transfer)(transfer)过程的物理化学现象过程的物理化学现象过程的物理化学现象过程的物理化学现象 包括:(1)出钢钢流的化学反应(2)注流与空气的作用(3)钢液与耐火材料的作用和水口(nozzle)结瘤(hump)等。2525河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院3.3.浇铸过程的流体流动浇铸过程的流体流动浇铸过程的流体流动浇铸过程的流体流动(liquid flow)(liquid flow)现象现象现象现象包括：(1)钢液流动特性(characteristic)(2)浇注过程流动水力学(hydraulics)(3)流动的物理模拟(simulation)和数学模拟。1.水模型 2.FDC软件2626河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院4.4.钢液结晶与凝固结构钢液结晶与凝固结构钢液结晶与凝固结构钢液结晶与凝固结构 包括：(1)液固相变的热力学(thermodynamics)特点(2)均质形核（core）(3)非均质形核(4)晶核长大(5)树枝晶(branch crystal)凝固(6)凝固结构和凝固结构的控制。2727河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院5.5.钢水凝固传热钢水凝固传热钢水凝固传热钢水凝固传热(transfer of heat)(transfer of heat)包括:(1)钢液凝固热平衡(equilibrium)(2)铸坯传热机构(3)传热与凝固定律(law)(4)传热方程在钢水凝固的应用（二冷配水等）。2828河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院6.6.凝固过程的偏析凝固过程的偏析凝固过程的偏析凝固过程的偏析包括:(1)凝固显微偏析:结晶的不平衡性、凝固过程溶质(solute)再分配、凝固显微偏析和影响显微偏析因素(2)凝固宏观偏析:凝固产品的宏观偏析、凝固过程液体流动、宏观偏析溶质分配方程、钢锭锥形偏析、连铸坯中心偏析和宏观偏析的控制。2929河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院7.7.凝固坯壳应力凝固坯壳应力凝固坯壳应力凝固坯壳应力(stress)(stress)包括:(1)钢的高温力学(mechanics)行为:钢的高温延性和钢高温力学行为定律(2)凝固坯壳的应力:鼓肚力、弯曲或矫直力、热应力、意外机械力、坯壳与结晶器摩擦力和相变应力。3030河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院8.8.凝固收缩凝固收缩凝固收缩凝固收缩(shrink)(shrink)包括:(1)凝固过程体积(volume)变化(2)缩孔(shrink hole)的形成(3)收缩与裂纹(crack)。3131河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院9.9.铸坯中的气体和夹杂铸坯中的气体和夹杂铸坯中的气体和夹杂铸坯中的气体和夹杂包括:(1)镇静钢凝固过程气体的析出(separate out)(2)沸腾钢凝固过程气体的析出(3)凝固过程中新相(phase)生成、钢锭中夹杂物和连铸坯夹杂物。3232河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院1010保护渣保护渣保护渣保护渣(mould flux)(mould flux)(1)连铸保护渣成分设计(2)连铸保护渣物理化学特性(3)连铸保护渣在结晶器中的行为(4)连铸保护渣与连铸坯表面质量(5)高速连铸保护渣的研制及应用。3333河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院第十一节第十一节 凝固理论的应用凝固理论的应用【应用一应用一】细化金属铸件晶粒细化金属铸件晶粒 细化晶粒的好处：提高强度、硬度、塑性和韧性。细化晶粒的好处：提高强度、硬度、塑性和韧性。工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。为细晶强化。细化铸件晶粒的基本途径细化铸件晶粒的基本途径:形成足够多的晶核，使它们在尚未显著长大形成足够多的晶核，使它们在尚未显著长大时便相互接触，完成结晶过程。时便相互接触，完成结晶过程。(1)大的形核率以保证单位时间、单位体积液大的形核率以保证单位时间、单位体积液体中形成更多的晶核体中形成更多的晶核;(2)小的长大线速度以保证有更长的形核时间。小的长大线速度以保证有更长的形核时间。3434河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【措施措施1】提高过冷度提高过冷度 过冷度增加，形核率过冷度增加，形核率N与长大线速度与长大线速度G均增加，均增加，但形核率增加速度高于长大线速度增加的速度，因但形核率增加速度高于长大线速度增加的速度，因此，增加过冷度可以使铸件的晶粒细化。此，增加过冷度可以使铸件的晶粒细化。在工业上增加过冷度是通过提高冷却速度来实在工业上增加过冷度是通过提高冷却速度来实现的。现的。采用导热性好的金属模代替砂模；采用导热性好的金属模代替砂模；在模外加强制冷却；在模外加强制冷却；在砂模里加冷铁以及采用低温慢速浇铸等都是在砂模里加冷铁以及采用低温慢速浇铸等都是 有效的方法；有效的方法；加大冷却水量，即提高比水量和结晶器通水量。加大冷却水量，即提高比水量和结晶器通水量。3535河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【措施措施2】变质处理变质处理 外来杂质能增加金属的形核率并阻碍晶核的生长。外来杂质能增加金属的形核率并阻碍晶核的生长。如果在浇注前向液态金属中加入某些难熔的固体如果在浇注前向液态金属中加入某些难熔的固体粒，会显著地增加晶核数量，使晶粒细化。这种方法粒，会显著地增加晶核数量，使晶粒细化。这种方法称为变质处理，加入的难熔杂质叫变质剂。称为变质处理，加入的难熔杂质叫变质剂。变质处理是目前工业生产中广泛应用的方法。变质处理是目前工业生产中广泛应用的方法。如：如：往铝和铝合金中加入锆和钛；往铝和铝合金中加入锆和钛；往钢液中加入钛、锆、钒；往钢液中加入钛、锆、钒；往铸铁铁水中加入往铸铁铁水中加入SiCa合金都能达到细化晶粒合金都能达到细化晶粒 的目的。的目的。3636河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院图 Al-Mg合金变质处理前后的对照3737河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院【措施措施3】微合金化细化方法微合金化细化方法 在C%低时改善钢的强度、韧性和延性的关键在于通过奥氏体转变所产生的铁素体晶粒的细化。通过单独或者复合添加微量合金化元素Al、Nb、V 或者Ti 可以达到奥氏体晶粒细化从而铁素体晶粒也细化的效果。根据钢的固溶处理情况,Nb 能够起到晶粒细化剂或者析出强化剂的作用,在较低的固溶温度(小于1000)下大部分Nb 不固溶,而那些脱离溶体的Nb 的碳氮化物质点则将对晶界的移动起阻碍作用,从而获得细晶粒。3838河北联合大学冶金与能源学院河北联合大学冶金与能源学院 一般对微合金钢的界定是:钢中加入Ni%+V%+Ti%0.15%。有人将化合物(TiC、VN、TiN 等)热