1、金屬凝固原理,第一章概論,第四次工業(yè)革命2014年德國漢諾威工業(yè)博覽會4月7日至11日舉行?！肮I(yè)4.0”概念受到關(guān)注。早在2006年，聯(lián)邦政府高技術(shù)戰(zhàn)略2020，即未來項目“工業(yè)4.0”。中國制造2025-十三五規(guī)劃-中國夢高度智能化-信息化-對人才的要求-跨界能力,第一章概論,怎樣具有跨界能力？中西教育的差距？不出國能不能趕上？怎樣趕上？為什么讀研？職業(yè)規(guī)劃？人生規(guī)劃？如何實現(xiàn)？為什么活著？怎樣活得的更好？我應(yīng)該在有限的時間內(nèi)培養(yǎng)哪些技能？,第一章概論,基本思路：人文修養(yǎng)的提升整體思維、邏輯思維能力、文字處理能力、搜索能力（搜商）、批判性的思維。霧里看花-怎樣看得清清楚楚，明明白白？歸納總

2、結(jié)，找相同找不同，為什么相同，為什么不同？,第一章概論,學(xué)而不思則罔思而不學(xué)則殆溫故而知新“雖有嘉肴，弗食不知其旨也；雖有至道，弗學(xué)不知其善也。是故學(xué)然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自強也。故曰：教學(xué)相長也?！?禮記.學(xué)記,第一章概論,推薦相關(guān)的書籍：肖紀(jì)美宏觀材料導(dǎo)論2014.12材料學(xué)方法論1994李慶春等鑄件形成理論1982胡漢起金屬凝固原理關(guān)紹康等材料成型基礎(chǔ)周堯和胡壯麒介萬奇凝固技術(shù),第一章概論,FlemingMG,SolidificationProcessing.KurzW,FickerDJ.FoundamentalsofSolidification.Sw

3、itzweland:TransPub.Ltd,1998漢譯本凝固原理庫爾茲和費希爾大野篤美著，邢建東譯，金屬的凝固理論、實踐與應(yīng)用。,第一章概論,中國制造2025從工業(yè)大國到工業(yè)強國,第一章概論,中國制造2025從工業(yè)大國到工業(yè)強國,第一章概論,先進(jìn)材料是關(guān)鍵支撐：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料。,凝固：局限于金屬材料？,第一章概論,凝固（solidification）：液態(tài)向固態(tài)的相變過程。凝固：凝聚、凝結(jié)、固結(jié)一種極為普遍的物理現(xiàn)象，廣泛存在于自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域。例：水冰火山熔巖固化高分子材料成形過程中是否也存在？水泥的凝固過程？粉末冶金過程？與結(jié)晶的區(qū)別與聯(lián)系？,第一章概論,凝固

4、原理（solidificationprinciple）：凝固學(xué)，本課程以金屬為主要研究對象金屬凝固或液態(tài)金屬凝固學(xué)。,第一節(jié)液態(tài)金屬凝固學(xué)的研究對象,一、研究對象和內(nèi)容研究對象：液態(tài)金屬固態(tài)的過程。研究內(nèi)容：是研究液態(tài)金屬（合金）轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬（合金）這一凝固過程的理論及技術(shù)，定性地特別是定量地揭示其內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，探求未知參數(shù)，開拓新的凝固技術(shù)和工藝。二、液態(tài)金屬凝固學(xué)的理論基礎(chǔ)物理化學(xué)、金屬學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、動量傳輸學(xué)等，在此基礎(chǔ)上，闡述液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，晶體的生核及長大，宏觀組織及其控制等內(nèi)容。,研究手段：實驗數(shù)學(xué)解析數(shù)值模擬物理模擬,相變熱力學(xué)：相平衡界面化學(xué)平衡凝固

5、動力學(xué)：溶質(zhì)再分配形核生長化學(xué)反應(yīng)傳輸現(xiàn)象：傳熱傳質(zhì)對流,控制手段：溫度場控制（冷卻方式）機械力物理場：電磁力、超重力、微重力化學(xué)方法：晶粒細(xì)化、變質(zhì)、孕育處理,宏觀組織（晶粒形態(tài)與尺寸）微觀組織（亞晶界、枝晶間距、次生相）強化相尺寸、形態(tài)及分布多相合金的相結(jié)構(gòu)組織均勻性成分均勻性（宏觀偏析與微觀偏析）組織致密性氣孔、夾雜應(yīng)力、變形、開裂晶體結(jié)構(gòu)缺陷非晶、微晶、納米晶及非平衡晶,形狀完整性力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能,凝固過程理論模型,研究,指導(dǎo),揭示,完善,控制（實踐）,獲得,要求,三、凝固理論與技術(shù)研究的重點1、合金的化學(xué)成分是決定凝固組織、成分分布及相結(jié)構(gòu)形成傾向的首要因素。（單項凝固、多相

6、凝固）2、合金成分確定后，凝固組織是由凝固過程的傳熱、傳質(zhì)及液體流動決定的。因而，凝固過程的傳熱、傳質(zhì)和對流成為凝固理論與技術(shù)研究的重點。3、合金液的結(jié)構(gòu)對凝固過程與組織有重要影響，如合金液的預(yù)處理（過熱處理、微合金化處理）。,16,材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵,四、研究對象尺度變化對凝固過程的控制因素和環(huán)節(jié)的影響研究對象是單一過程（LS），但研究對象尺度大小的變化使凝固過程的控制因素和環(huán)節(jié)具有本質(zhì)的差別。例：小尺寸鑄件金屬型快速凝固凝固時間極短（幾秒）溶質(zhì)的擴散和對流的作用將不明顯，導(dǎo)熱成為SP的控制環(huán)節(jié)。大鑄件（數(shù)十噸、上百噸）砂型凝固時間極長（幾小時、上百小時）溶質(zhì)擴散對SP中的對流影響極大，元

7、素的宏觀偏析也成為SP研究與控制的主要問題。,五、工業(yè)生產(chǎn)中常見的V冷（SP中的V冷是凝固條件的主要指標(biāo)）大型鑄件：10-310-2/S普通鑄件：10-3102/S普通霧化工藝生產(chǎn)金屬粉末：103/S快速霧化工藝生產(chǎn)金屬粉末：104/S霧化沉積、單輥法、激光表面重熔（快速凝固RS）106109/S,六、凝固原理地位和作用,六、凝固原理地位和作用,寶馬汽車發(fā)動機,載人飛船,嫦娥一號飛行云跡實拍圖,“王冠上的明珠”航空發(fā)動機是航空航天器的核心部件，其發(fā)展水平已成為一個國家科技水平、軍事實力和綜合國力的重要標(biāo)志之一。人類航空史上航空動力技術(shù)的每一次重大革命性進(jìn)展，無不與凝固技術(shù)的突破和進(jìn)步相關(guān)。,“

8、金融經(jīng)濟”、“網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟”、“知識經(jīng)濟”等意識的強烈沖擊傳統(tǒng)的金屬材料成形加工工業(yè)被看成了“老氣橫秋”的“夕陽工業(yè)”。但是，美國的經(jīng)驗告訴我們，任何過分強調(diào)發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)的重要性，而忽視制造業(yè)對國民經(jīng)濟健康發(fā)展重要性的作法，都將降低其制造業(yè)產(chǎn)品的國際競爭力。日本、德國汽車工業(yè)的快速崛起，美國制造業(yè)世界霸主地位的喪失和美國汽車在國際市場上競爭力的下降，使美國政府和專家充分認(rèn)識到制造業(yè)的重要性，從而提出了一系列先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略，以提高其制造業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)品的競爭力。,20世紀(jì)90年代，包括材料加工、成形新技術(shù)等“先進(jìn)制造技術(shù)”被列入美國“國家關(guān)鍵技術(shù)計劃”。德國工業(yè)4.0，我國“中國制造202

9、5”。,七、液態(tài)凝固理論發(fā)展,凝固理論研究核心為“凝固過程中的組織演變及其控制”,主要包括形核和生長兩方面的內(nèi)容。,科學(xué)、系統(tǒng)研究始于近代。文獻(xiàn)記載，最早可以追溯到1714年，但到20世紀(jì)40年代，一般認(rèn)為國內(nèi)外尚無公認(rèn)的凝固理論，而只有鑄冶工藝。近幾十年來，隨著工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過以科學(xué)研究為軸線的實踐理論再實踐的發(fā)展、積累與總結(jié)，逐漸形成了現(xiàn)代凝固理論的基本框架。,目前已經(jīng)形成了一個較為完整的凝固材料體系。,凝固基礎(chǔ)理論已從最初的晶體結(jié)構(gòu)和生長形態(tài)等顯微層次上研究，發(fā)展到從原子、分子層次上研究生長界面和熔體結(jié)構(gòu)以及質(zhì)、熱輸運和界面反應(yīng)動力學(xué)等問題，形成了包括晶體形核理論、輸運理論、界

10、面穩(wěn)定性理論、界面結(jié)構(gòu)理論、界面動力學(xué)理論和負(fù)離子配位多面體模型等理論體系。,凝固技術(shù)已從公認(rèn)的常規(guī)條件下的凝固發(fā)展到超常條件和特殊條件下的凝固（快速凝固、空間凝固、超高壓凝固、深過冷凝固、激光（高能束）快速熔化凝固等）。液態(tài)成形原材料的豐富、非常規(guī)凝固技術(shù)的研發(fā)、計算機計算能力的提高以及基礎(chǔ)學(xué)科新成就在凝固科學(xué)研究中的應(yīng)用，使人們認(rèn)識到經(jīng)典理論的局限性，并向經(jīng)典理論提出了挑戰(zhàn)。新興和超常條件下的凝固技術(shù)中的新現(xiàn)象和相應(yīng)的科學(xué)問題，即遠(yuǎn)平衡和極端不平衡情況下的凝固問題已經(jīng)成為今后凝固理論研究的重點內(nèi)容。,西北工業(yè)大學(xué)發(fā)現(xiàn)了凝固組織形態(tài)選擇的相關(guān)性和歷史相關(guān)性現(xiàn)象，并用實驗證實了一定條件下枝晶生

11、長間距也不是唯一的。中國科學(xué)院沈陽金屬所和山東大學(xué)分別采用分子動力學(xué)方法從原子尺度層次上研究了合金凝固的微觀過程，取得了創(chuàng)新性的研究成果。,我國著名材料及冶金學(xué)家傅恒志院士從歷史演進(jìn)、材料發(fā)展、學(xué)科交融、基礎(chǔ)理論以及凝固本身的內(nèi)涵與客觀需求考慮，提出凝固已不再局限于鑄造和焊接領(lǐng)域，凝固應(yīng)作為大科學(xué)（BigScience）對待，應(yīng)強調(diào)它的綜合性、基礎(chǔ)性、實踐性、工程性、前沿性與創(chuàng)新性，從更高、更廣闊的角度來要求它，發(fā)展它。,整體思維、局部思維、逆向思維、多向思維、綜合思維（普遍性、特殊性）,第二節(jié)凝固過程的研究方法,凝固過程中除了SL界面遷移外，還伴隨傳熱、傳質(zhì)、液相流動和固相運動。這些過程不僅

12、對固液界面的遷移速率及形態(tài)產(chǎn)生影響，而且這些場量之間互相影響，是一個非常復(fù)雜的過程。1、數(shù)字解析方法2、數(shù)值計算方法3、實驗方法,第三節(jié)液態(tài)金屬（合金）凝固理論研究的進(jìn)展,一、古代凝固技術(shù)5000年冶鑄技術(shù)，前3000年主要是青銅器，后2000年主要是鐵器。1978年湖北隨縣出土的編鐘，64件8組（2400年前戰(zhàn)國初期鑄造的）明永樂18年（公元14181422年）鑄造北京大鐘寺的永樂大鐘，4.6噸，5.843.3(內(nèi)2.9)m,二、現(xiàn)代凝固技術(shù)（一）上世紀(jì)5060年代，經(jīng)典凝固理論誕生時期1、在一代大師B.Chalmers（多倫多大學(xué)）的指導(dǎo)下，TillerJackson和Rutter于50年

13、代初期在對凝固界面附近溶質(zhì)分布求解的基礎(chǔ)上提出了著名的成分過冷理論，首次將傳質(zhì)和傳熱因素耦合起來分析凝固過程組織形態(tài)問題。,（只有擴散，無對流）產(chǎn)生“成分過冷”的判據(jù),2、JacksonHunt提出了枝晶和共晶合金凝固過程擴散場的理論解，并在此基礎(chǔ)上獲得枝晶及共晶間距與凝固條件（G.R）的關(guān)系式，得到許多實驗的支持。Jackson-Hunt模型下推出共晶片間距與凝固速率R的平方根成反比。,3、Flemings等從工程的角度出發(fā)，進(jìn)一步考慮了SP兩相區(qū)的液相流動效應(yīng)，提出局部溶質(zhì)再分配方程等理論模型。4、俄裔捷克鑄造工程師Chvorinov通過對大量冷卻曲線的分析，巧妙地引入鑄件模數(shù)的概念，導(dǎo)出

14、了著名的平方根定律，至今仍是鑄造工藝設(shè)計的理論依據(jù)之一。,凝固層厚度,凝固系數(shù),（二）60年代后，研究工作重點放在經(jīng)典凝固理論的應(yīng)用上1、如鋼錠的質(zhì)量控制，連鑄鋼錠的電磁攪拌。2、以提高質(zhì)量，降低原材料和能源消耗為目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)鑄件理論與技術(shù)，快速凝固技術(shù)，定向solidifation，半固態(tài)鑄造在這一時期誕生。3、通過大量的實驗研究，Chalmers及大野篤美等人提出“激冷等軸晶游離”理論，Jackson、Southi等人提出“枝晶熔斷”及“結(jié)晶雨”理論，以此為指導(dǎo)可有效控制結(jié)晶過程和凝固組織。在這些理論的基礎(chǔ)上，機械及超聲波振動、機械及電磁液相攪拌、孕育處理、變質(zhì)處理等技術(shù)得以發(fā)展與推廣并仍在

15、不斷改進(jìn)及完善。,4、最近20年極端條件下SP的研究（如RS、超重力、微重力、超高壓）。計算機，凝固過程模擬和凝固過程控制。我國鑄造技術(shù)的發(fā)展1.古代鑄造技術(shù)成就商周陶范鑄造:陶范制作在商周時期已非常精細(xì)，并皆有面料、背料之分，可鑄造劍和編鐘。戰(zhàn)國考式記：記載六種錫青銅的配比，稱為“六齊”，說明該時期對錫青銅成分與組織、性能的關(guān)系已有規(guī)律性的認(rèn)識。傳統(tǒng)失蠟法：湖北、河南近年出土了春秋、戰(zhàn)國時期的失蠟鑄件。明代天工開物上就有記載失蠟法的工藝過程。,生鐵冶煉技術(shù)：周朝末年，開始有了鑄鐵。鐵制農(nóng)具發(fā)展很快。秦漢以后，耕田的農(nóng)具：鋤、鎌、犁、鍬等都是鐵制品。生鐵的早期發(fā)展，為整個中國的鋼鐵技術(shù)發(fā)展奠定

16、了基礎(chǔ)。鑄鐵金屬型:鐵范：早在戰(zhàn)國時期，已用鐵范成批鑄造農(nóng)具、手工工具?？慑戣T鐵、球墨鑄鐵：戰(zhàn)國時期已有白心、黑心可鍛鑄鐵。西漢時期此技術(shù)達(dá)成熟，成為鑄作坊中的常規(guī)工藝。近年來發(fā)現(xiàn)近十件石墨為球形的鑄鐵農(nóng)具。層疊鑄造：王莽時代，一次鑄184枚銅錢、河南溫縣窯出土的2000年前疊箱澆注的鑄件，一組18個馬嚼子。大型及特大型鑄件：滄州鐵獅子：公元953年：50噸；當(dāng)陽鐵塔：公元1061年，50噸；正定銅佛：公元971年：50噸；永樂大鐘：公元1418年，46噸。對經(jīng)濟文化的重大影響：日常用語中：模范、范圍、陶冶、鑄成大錯等來自于古代鑄造術(shù)語。,戰(zhàn)國早期。1978年于湖北省隨縣（今隨州市）擂鼓墩曾侯

17、乙墓出土。尊是盛酒器，盤則是盛水器。出土?xí)r尊置于盤內(nèi)，兩件器物放在一起渾然一體。尊作喇叭狀，高33.1厘米，口寬62厘米。寬沿上飾玲瓏剔透的蟠虺透空花紋，花紋又分上下兩層，形似朵朵云彩。尊的頸部附飾有四頭豹形爬獸，皆由透空的蟠螭紋構(gòu)成獸身，作攀附上爬狀，返顧吐長舌。在圓鼓的尊腹和高圈足部位，于淺浮雕及鏤空的蟠螭紋上，各加飾四條高浮雕的虬龍，取得了層次豐富、主次分明的藝術(shù)效果。盤高24厘米，寬57.6厘米，深12厘米。盤口外折下垂，直壁平底，下附有四只龍形蹄足，口沿上另附四個方耳，耳的兩側(cè)為扁平鏤空夔紋；在四耳之間，各有一條虬龍攀附，其整體藝術(shù)風(fēng)格與同出的尊相一致。曾侯尊盤最為驚人之處，就在于那

18、千絲萬縷、鬼斧神工的透空附飾。據(jù)冶金專家鑒定，該器是使用失蠟法鑄造成的。,出土文物,曾侯尊盤,編鐘戰(zhàn)國早期。1978年于湖北省隨縣（今隨州市）擂鼓墩曾侯乙墓出土。,出土文物,出土文物,湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍,湖北當(dāng)陽市玉泉寺前當(dāng)陽鐵塔，公元1061年，北宋嘉6年,滄州鐵獅子，北宋嘉6年,2.新中國成立后，鑄造技術(shù)發(fā)展迅速主要表現(xiàn)：a.新中國成立近60年以來，我國鑄造業(yè)發(fā)展迅猛。近幾年來，我國鑄件產(chǎn)量已達(dá)2000萬t/年以上，能為航空、航天、航海、交通、制造、冶金、化工等行業(yè)提供各種鑄件。b.我國鑄造技術(shù)水平已接近國際先進(jìn)水平,鑄件尺寸精度和質(zhì)量達(dá)到了發(fā)達(dá)國家的水平。例如：我國已鑄出重26

19、0t的大型鑄鐵鋼錠模，還鑄出30104kW水輪機轉(zhuǎn)子；2008年，中信重機洛陽重型鑄鍛廠生產(chǎn)了約520t的18500t壓力機鑄鋼機架c.新工藝和新方法不斷出現(xiàn)。在液態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造、真空實型鑄造及V法鑄造等先進(jìn)鑄造工藝,d、近些年，借助于物理化學(xué)、金屬學(xué)、非平衡態(tài)動力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，使金屬凝固理論有了很大發(fā)展?？梢钥刂颇踢^程來開發(fā)新材料，同時專業(yè)鑄造研究所和大學(xué)的科研工作也在蓬勃發(fā)展，如大型鑄件鑄造工藝的計算機輔助設(shè)計，采用計算機模擬大型鑄件的充型過程和凝固過程，可在鑄件生產(chǎn)之前判斷鑄造缺陷（如縮孔、縮松等）是否產(chǎn)生以及產(chǎn)生

20、的部位，從而及時調(diào)整工藝方案，對新產(chǎn)品試制特別是大型鑄件的單件生產(chǎn)確保一次成功提供了技術(shù)保證。,計算機模擬車橋殼凝固過程示意圖,第2重型機器廠：寶鋼480噸5m厚板軋機機架正在澆注鋼水700噸,沈陽鑄造所：電渣熔鑄工藝鑄造的三峽水輪機導(dǎo)葉重13噸,鄭紡機生產(chǎn)的1.2MW風(fēng)力發(fā)電機箱體,尺寸：136020301360mm3重量：1.3T材質(zhì)：QT400-18AL,寶馬發(fā)布鎂合金直列6缸引擎,大連船用推進(jìn)器廠：直徑8.95m重量98.4t鋁青銅大型集裝箱船用螺旋槳,消失模鑄造：如下圖所示。,消失模鑄件,V法鑄造,全國最先進(jìn)V法鑄鋼生產(chǎn)線,鑄鋼機車搖枕側(cè)架,單幅寬為2.8米，整幅寬為5.6米，為目前

21、中國最大寬幅EVA鑄造膜,第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),2.1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu),一、液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的研究方法,二、結(jié)構(gòu)因子S(Q）,雙體分布函數(shù)g(r)可以較好地描述液體在平衡態(tài)下的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),徑向分布函數(shù),(a)氣體,(a)液體,(a)固態(tài)晶體,晶態(tài)固體,表1幾種晶態(tài)純金屬熔化時的熱物理性能變化,說明：液態(tài)金屬的原子間距接近于固體；熔化時原子之間結(jié)合鍵只破壞了百分之幾。,圖1-4700時，液態(tài)Al中原子分布曲線，當(dāng)r時，(r)0,表示在較大體積中的原子平均密度（相當(dāng)于非晶體態(tài)材料）,固態(tài)金屬：一條條清晰的線；液態(tài)金屬：一條條帶，第一峰值與固態(tài)衍射線極為相近。結(jié)論：液態(tài)金屬中原子的排列在幾個原子間距

22、的范圍內(nèi)，與其固態(tài)的排列方式基本一致。但原子間距、空穴增多，配位數(shù)略有變化。,三、金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu),原子間結(jié)合能較強，原子在小距離內(nèi)排列規(guī)則，原子間距增加不大。液體由許多原子集團組成（十幾個幾百個原子組成的），原子集團內(nèi)保持固態(tài)特征“拓?fù)洌ǘ蹋┙逃行蚺帕小薄＃═opologicalShortRangeOrdering）所有原子集團都處于瞬息萬變狀態(tài)，時而長大，時而變小，時而產(chǎn)生，時而消失，此起彼落，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)起伏（structureFluctuating）每時每刻都有原子的能量高于平均能量，也有低于平均能量的原子存在，這種現(xiàn)象稱為能量起伏。（EnergyFluctuating

23、）在實際金屬熔體中，游動原子團簇間存在化學(xué)成分差異，并且這種原子團內(nèi)部的成分不均勻性也處于不斷的變化之中。稱為“化學(xué)短程有序（ChemicalShortRangeOrdering）”，即“濃度起伏（ConcentrationFluctuating）”或“成分起伏”。原子集團平均尺寸及“游動”速度均與T有關(guān)。,具有中間金屬化合物的合金熔體中既有“短程有序”又可能存在“中程有序（MediumRangeOrdering）”?！爸谐逃行颉敝傅氖翘幱凇岸坛逃行颉焙汀伴L程有序”之間的有序情況，屬于尺寸較大的原子集團。“中程有序”的出現(xiàn)與合金的化學(xué)成分、熔體溫度及固態(tài)中存在的相應(yīng)相結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。“中程有序

24、”在純金屬和簡單二元共晶成分的合金熔體中不出現(xiàn)，并且存在一個低溫出現(xiàn)，高溫消失的溶化規(guī)律。,引力波,在物理學(xué)中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結(jié)果，因為它引入了引入了相互作用的傳播速度有限的概念。相比之下，引力波不能夠存在于牛頓的經(jīng)典引力理論當(dāng)中，因為牛頓的經(jīng)典理論假設(shè)物質(zhì)的相互作用傳播是速度無限的。,引力波的發(fā)現(xiàn)驗證了廣義相對論最后一個未被實驗直接檢測的預(yù)言，但引力波帶來的認(rèn)知革命絕不止步于此。引力波為我們打開了除電磁輻射（光學(xué)、紅外、射電

25、、X射線等）、粒子（中微子、宇宙線）之外，一個全新的窗口我們從未能夠以這樣的方式觀察宇宙。在引力波這個新窗口中，我們不再是以電磁場、物質(zhì)粒子作為觀察宇宙的憑借我們感受的，是時空本身的顫動！LIGO的直接探測到的第一例引力波事件（據(jù)說）來自兩個恒星質(zhì)量黑洞的并合。兩個黑洞并合前，會在與彼此的繞轉(zhuǎn)中攪動周圍的時空，向四周散發(fā)出漣漪般的引力波。這些引力波帶走了一部分雙黑洞系統(tǒng)的引力勢能，讓兩個黑洞越繞越近、越近越快。而兩個黑洞最終并合之后，融合成的大黑洞會經(jīng)過幾下“搖擺”，才會融成完美的球形。,“在星際穿越和三體中，都不約而同地將引力波選為了未來科技發(fā)達(dá)的人類的通訊手段，這也許只能是美好的幻想，但對

26、于天文研究而言，引力波的確開啟了一扇新的窗口。吹進(jìn)來的第一縷清風(fēng)，就帶來了一個重大的信息：“引力波的直接探測實現(xiàn)了50年前就設(shè)定好了的偉大目標(biāo)：直接探測難以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在愛因斯坦廣義相對論100周年之際完美地續(xù)寫愛因斯坦的傳奇?！薄安簧儆H朋好友問過我，你在研究些什么。我都這么回答：我們在找另一種光，一旦找到，意味著人類從此有了第六感，就像有了超能力，用一雙天眼飽覽神秘宇宙中無盡的奧妙?，F(xiàn)在，我們，找到了！”馬克斯普朗克引力物理研究所博士生，明鏡,量子纏繞理論,.,65,5、實際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu),與理想的純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是：實際液態(tài)金屬存在三種起伏：“結(jié)構(gòu)起伏”、“濃

27、度起伏”和“能量起伏”。實際金屬在微觀上是由成分和結(jié)構(gòu)不同的游動原子集團、空穴和許多固態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)的化合物組成的，它是一種“混濁”的液體；而從化學(xué)鍵上看，除了基體金屬與其合金組成的金屬鍵之外，還存在其它多種類型的化學(xué)鍵。,熔體與周圍環(huán)境（如熔煉或焊接氣氛、熔劑等）相互作用；熔化條件多種多樣（如壓力、外場作用等）；,對液態(tài)金屬的加工處理（如變質(zhì)處理、球化處理、微合金化、外場作用等），實際上都是希望改變這三種起伏及凈化熔體，從而改善液態(tài)金屬的性質(zhì)，達(dá)到控制凝固過程、細(xì)化組織和提高產(chǎn)品性能的最終目的。,工業(yè)應(yīng)用的金屬主要是多元合金；原材料中含有各種各樣的雜質(zhì)；,實際液態(tài)金屬（合金）的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的

28、主要原因,2.2液態(tài)金屬的性質(zhì),一、液態(tài)金屬的粘滯性,圖1-6液體內(nèi)各層的流速（層流流動）,粘滯性的本質(zhì)a.粘度、動力粘度和運動粘度粘度：液體內(nèi)部質(zhì)點間作用力引起的內(nèi)摩擦力。物理意義：液體流動性的倒數(shù)。動力粘度：兩層金屬間的相互作用力（內(nèi)摩擦力）。牛頓的液體粘滯流動定律：,據(jù)弗倫克爾的液態(tài)結(jié)構(gòu)的理論，粘滯系數(shù)用下式表示：,和Q與原子間結(jié)合力有關(guān),圖1-7金屬的動力粘度與溫度關(guān)系,b.粘滯性的本質(zhì)：質(zhì)點間（原子間）結(jié)合力的大小。,運動粘度v：,流體的紊流傾向大,2.影響粘度的因素,a.溫度的影響理論分析：,溫度較低（過熱度低）時，T溫度很高時，T（接近氣態(tài)）,圖1-8Fe-C合金的動力粘度與的溫

29、度關(guān)系,第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),圖1-10粘度與成分關(guān)系,b.化學(xué)成分的影響,難熔化合物的粘度較高，而熔點低的共晶成分合金粘度低。粘度與熔點有相似性,c.非金屬夾雜物的影響,固態(tài)的非金屬夾雜物使合金粘度增加。液體流動時的內(nèi)摩擦力增加。MnS、AlO、SiO等。,3.粘度對鑄件形成過程的影響,a.對液態(tài)金屬流態(tài)的影響雷諾常數(shù)：D是管道直徑，V是液體流速Re2300，紊流；Re2300，層流,流動阻力系數(shù)：,對f影響大,對f影響小,一般澆注情況下，澆注系統(tǒng)及型腔中為紊流。而型腔的細(xì)金屬部分，或充型的后期為層流。故對型腔的細(xì)薄部分充型有利，且可防止?jié)膊蛔恪?b.對液態(tài)金屬對流的影響溫度差和濃度差

30、引起對流，對流強度用格拉索夫準(zhǔn)則度量：,液體流動對結(jié)晶組織，溶質(zhì)分配，偏析，夾雜物的聚合物都有影響。,c.對液態(tài)金屬凈化的影響球形、半徑小于0.1mm、且滿足小顆粒，上浮的條件：,V雜質(zhì)留在液體中的可能性越大。,二、液態(tài)金屬的表面張力,鑄件形成過程存在多種相及相界面界面反應(yīng)表面張力研究的重要性。a.表面張力的本質(zhì),在液體表面內(nèi)產(chǎn)生的平行于液體表面，且各向均等的張力，稱為表面張力。,表面張力是氣/液界面現(xiàn)象，它的的大小與液相和氣相的性質(zhì)有關(guān)。產(chǎn)生張力的表面層厚度不超過10-7cm，相當(dāng)于幾個原子(分子)液層厚度。,由于液體表面層內(nèi)質(zhì)點受到不平衡力場的作用，導(dǎo)致表面繃緊或彎曲，導(dǎo)致表面內(nèi)產(chǎn)生了多余

31、的表面能。如圖111所示。,設(shè)表面S在繃緊力F的作用下，拉長了dx距離，則外力所做的功為：,進(jìn)一步可得:,圖111表面張力簡圖,因此，表面張力s是表面S內(nèi)垂直F方向的單位長度上的拉緊力。,也是增加單位表面積dA外力所做的可逆功，稱之為表面能。注意：表面張力和表面能數(shù)值上相同，但量綱不同，如表面張力為10-1N/m，則表面能為10-1J/m2。,由相關(guān)熱力學(xué)公式可得,此式表明，表面張力s就是單位面積上的自由能。式中負(fù)號表示由于產(chǎn)生了新的單位面積的表面，而使系統(tǒng)的自由能增加，增加值等于外力對單位表面所作的功。,b.潤濕角,嚴(yán)格地說，表面張力應(yīng)稱界面張力（包括：液-氣、固-固、固-液、固-氣等）。,

32、潤濕角指的是液相與氣相間的界面張力與固相與液相間的界面張力之間的夾角，,.,6.1晶體表面晶體表面6.1.1靜態(tài)表面原子狀態(tài)和表面結(jié)構(gòu)靜態(tài)：指原子不動（無熱激活）6.1.1.1清潔表面區(qū)電子密度分布的變化/現(xiàn)象一,金屬材料：表面偶向真空伸入約伸入約0.1nm,垂直表面方向上晶體內(nèi)部周期性遭到破壞，因而在表面附近的電子分布發(fā)生變，影響表面原子排列。在表面形成一層稀薄的電子云，形成一個偶電層。,無表面影響,表面電子逸出形成電子云,.,6.1.1.2表面弛豫和再構(gòu)（RelaxationandRestructure）,表面原子也會發(fā)生向表面法線方向的弛豫?？上蛲馀蛎浕蛳騼?nèi)收縮，這由于表面原子在真空一側(cè)

33、喪失了近鄰原子而出現(xiàn)“懸掛鏈”，表面及附近原子達(dá)到新的平衡位置。注：一般來說，保留了平行表面的原子排列二維對稱性。,理想的解離表面,表面向外弛豫,外層4個原子層的再構(gòu)（假想模型）,圖112氣固液三相交點處質(zhì)點A的受力示意圖,A點受到三個界面張力、。,當(dāng)質(zhì)點A所受界面張力達(dá)到平衡時，各界面張力之間的關(guān)系服從楊氏（Young）方程。,為表面張力與固液界面的夾角，即潤濕角(WettingAngle),潤濕角,第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),SGLG,90潤濕；如水在玻璃上能鋪成一層，稱為玻璃被水潤濕。0，完全潤濕；液體在固體表面鋪展成薄膜。,潤濕角是衡量界面張力的標(biāo)志，其大小反映液相與固相潤濕程度。,S

34、GLG，90不潤濕；液體傾向于呈球形，稱為液體不能潤濕固體，如水銀與陶瓷間及金屬液與SiO2間。,180，完全不潤濕。,第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),不潤濕,潤濕,第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),c.影響表面張力的因素a)熔點(熔點界面張力）；,第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),c.影響表面張力的因素b)溫度(除鑄鐵，碳鋼，銅及其合金外，溫度表面張力；c)溶質(zhì)表面活性元素：降低表面能，正吸附；非表面活性元素：增大表面能，負(fù)吸附）表面活性元素的作用：接近熔點時富集于液態(tài)表面，起凈化金屬液的作用。,d.表面張力引起的附加壓力,用一根玻璃管吹一個肥皂泡，若將管口堵住肥皂泡可以長時間存在若不堵住管口肥皂泡將會不斷

35、縮小，很快聚成一個液滴。WHY?現(xiàn)象說明，只要液面不是平的，則其內(nèi)外壓力不同。因為氣泡是一個彎曲液面，液體的表面張力迫使液面向內(nèi)收縮，產(chǎn)生一種額外的壓力，這個額外的壓力叫做附加壓力。要使氣泡穩(wěn)定，氣泡內(nèi)除了要有壓力對抗大氣壓外，還必須有一個大小相等的壓力和附加壓力抗衡，所以氣泡內(nèi)的壓力必須大于外壓。附加壓力的大小和液面的曲率半徑有關(guān)。,圖1-13彎曲液面的附加壓力(a)水平液面(b)凸液面(c)凹液面,任意彎曲的液-氣表面，附加壓力p：,r1/r2界面上兩個相互垂直弧線的曲率半徑當(dāng)為球狀時,e.毛細(xì)現(xiàn)象,在日常生活中常見到玻璃毛細(xì)管插入水中或油中，管內(nèi)液面將上升或下降，這種具有細(xì)微縫隙的固體與

36、液體接觸時，液體沿縫隙上升或下降的現(xiàn)象稱為毛細(xì)現(xiàn)象。,圖1-14毛細(xì)管現(xiàn)象,當(dāng)液柱高度不再變化時，上升液柱產(chǎn)生的靜壓力與附加壓力的數(shù)值相等。即,為液體密度；g為重力加速度；r1為毛細(xì)管半徑；h為液面上升高度,在一定溫度下，毛細(xì)管的半徑r愈小，液體對管壁的潤濕愈好，液體在毛細(xì)管中上升的愈高。當(dāng)液體不能潤濕管壁時，上式也能適用，此時，管中形成凸液面，h為負(fù)值，毛細(xì)管內(nèi)液面低于管外液面，即毛細(xì)管中液面下降。,f.表面張力在材料成形中的作用和意義,(a)表面張力對粘砂和充填最小直徑的影響,在砂型鑄造過程中，金屬液是否滲入砂型毛細(xì)管（砂粒與砂粒間的孔隙）而使鑄件產(chǎn)生機械粘砂，與金屬液和砂型是否潤濕及表面

37、張力引起的附加壓力的大小有關(guān)。,根據(jù)上式可計算出形成機械粘砂的毛細(xì)管臨界半徑（與型砂的粗細(xì)有關(guān)）。,冶煉正常的合金液，不潤濕型壁，有助于防止機械粘沙。但對于薄壁，棱角處，需要克服附加壓頭。,只有滿足附加壓頭：Hh時，鑄型中的細(xì)薄部位才能充滿。,(b)表面張力對液態(tài)金屬凈化的影響,夾雜能夠被氣泡粘附而上浮，必須滿足的熱力學(xué)條件為：,用熔劑精煉法去除夾雜時，首先要求熔劑對夾雜具有粘附能力,越大，對熔劑吸附夾雜越有利。,熔劑是否易于與熔體分離可用下式判斷：,越小，熔劑越易與熔體分離。因此選擇熔劑時，應(yīng)當(dāng)使其與合金的界面張力盡量大，而其本身的表面張力應(yīng)盡量小。,表面張力在鋁合金溶劑法精煉中的應(yīng)用,表面張力在鋁合金溶劑法精煉中的應(yīng)用,表面張力在鋁合金溶劑法精煉中的應(yīng)用,表面張力在鋁合金溶劑法精煉中的應(yīng)用,表面張力在鋁合金溶劑法精煉中的應(yīng)用,表面張力在鋁合金溶劑法精煉中的應(yīng)用,表面張力在鋁合金溶劑法精煉中