内容简介
生产条件下金属凝固过程的实验研究是凝固领域的难题，至今没有有效的解决方案。上海大学先进凝固技术中心突破了物质模拟和几何模拟两种实验方法的局限，提出了基于条件相似、以点见面的热模拟方法。该方法成功地将生产条件下金属凝固过程“浓缩”到在实验室中用少量金属研究，为生产条件下金属凝固过程实验研究提供了有效的方法。依靠方法创新，作者研制了一系列实验装备，并在基础研究和生产工艺优化方面进行了成功的实践。《冶金凝固过程热模拟技术》内容主要包括热模拟的技术思想及原理，基于热模拟方法设计装备或实验方案，还包括作者利用热模拟技术开展的科学研究和应用研究典型案例。
精彩书摘
第1章 金属凝固过程及基础理论
金属凝固过程及基础理论
金属是应用*广泛的结构材料，是工业、农业、国防及国家综合实力的基础。金属制品在制备过程中几乎都要经历凝固过程。认识金属凝固过程，特别是生产条件下金属的形核、晶体生长、组织转变和缺陷形成规律，对合理制定生产工艺及开发新技术具有十分重要的意义。
凝固是金属由液态向固态转变的相变过程。金属凝固过程主要包括两个阶段：*先是形核，即液相中的原子形成团簇达到所需的临界形核半径形成晶核；其次是生长，即晶核形成后逐渐向熔体中扩展和长大。
1.1 液态与固态金属的结构
1.1.1 液态金属结构
液态金属常被称为熔体。液态是物质存在的基本形态之一，介于气态与固态之间。宏观上，液体具有流动性和各向同性，一般不可压缩、不能承受外力而保持一定形状。液体一般都可以承受很大的静压力而不发生明显的体积变化，但无法承受剪切力，从而导致其具有流动性。液体的流动性可以用黏度来进行描述，大部分液体的黏度都小于10–1Pa s[1]。一些流动性强的金属熔体可以很好地充型，这促使人类利用该特性开发出一系列实用的凝固技术，如铸造出具有一定形状的零部件和工艺品等。
液态金属的微观结构对金属的凝固过程和组织有显著的影响，因此关于液态金属结构的研究受到科学界的高度重视。近代物理学的发展使人们可以利用X射线衍射和中子衍射等技术直接观测金属熔体的液态结构。结果显示，熔体由大量的原子团簇、空穴和化合物组成。原子集团或团簇表现出短程有序、长程无序的结构特征，原子集团或团簇内部原子呈有序排列，而原子集团或团簇之间往往存在一定数量的自由原子和空穴，呈无序排列。这种结构导致熔体中具有大量的“自由体积”，该自由体积随机分布在更紧密结合的原子团簇中，且分布状态随时变化，导致液态金属中存在“结构起伏”“浓度起伏”“能量起伏”现象。研究表明，这种结构特征使自扩散和相互扩散速率比长程有序的相高出几个数量级，并赋予熔体良好的流动性。原子团簇被认为是形核阶段晶核形成的基础，对晶体生长也具有重要影响。
1.1.2 固态金属结构
除了特殊条件下制备的非晶态金属，固态金属一般都以晶体形式存在。晶体被定义为由原子、离子或分子的重复三维结构形成的同质固体，其组成部分之间的距离是固定的。因此，固态金属是由金属原子的周期性规则排列组成，受到长程有序的严格约束，并满足晶格点群对称性所决定的空间不变性。也就是说，长程有序确保了特殊对称性的存在，并提供了粒子位置的长程相关性，即使在宏观尺度上也是如此。因此，从微观角度看，金属的结晶或凝固就是由无序和短程有序的液态结构向长程有序的晶体结构的转变过程。
固态金属与液态存在显著差异，其长程有序的晶体结构允许金属在液相线以下几乎所有温度区间都可以承受较大的剪切力，因此可以保持一定形状并具有较大的抗变形能力。这种状态也可以用数值巨大的黏度(一般选择1014Pa s以上的数值)来粗略地表示，从而方便在模型或数值模拟中统一描述液态和固态金属。
根据热力学平衡原理，凝固过程中会实现特定晶相的选择，该晶相将在液相线以下和一定压力下使系统的自由能*小。
1.2 晶核的形成
当金属熔体的温度低于其平衡液相线时，相对于同一温度下的固体而言，其吉布斯自由能较高，因此金属熔体有向固体转变的趋势，这便是熔体凝固的热力学解释。固液两相自由能的差值成为形核的驱动力。另外，当金属熔体中出现晶核时，界面能增加，这会成为晶体形核的阻力。因此形核过程可以看作界面能和体积自由能的竞争过程，为了克服界面能给形核带来的阻力，需要一定的过冷度。
晶体的形核方式理论上可分为均质形核和异质形核两类。所谓均质形核是指在液相中各个区域出现新相晶核的概率都是相同的；所谓异质形核是指依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行的形核过程，在液相中某些区域出现新相的机会多于液相中的其他区域。因为异质形核需要克服的能量壁垒远远小于均质形核，而金属熔体中不可避免地存在大量的杂质，这些杂质可能成为金属熔体异质形核的衬底，所以如果不采取特殊的手段处理，实际金属的形核都是异质形核。
20世纪20年代开始，研究者提出了众多形核相在不同形核效能和不同几何形状衬底上的形核模型。形核物理过程和机理的研究*早可以追溯到外延生长模型和**形核理论，通常用球冠生长模型和润湿角来进行描述。晶体形核的自由能变化难以测定，但是形核衬底的晶体结构和几何形貌对异质形核影响非常大，因此常用形核衬底与金属熔体润湿角的大小来表征异质相作为形核衬底的能力。一般认为，其润湿角越小，晶核形成所需要的形核功越小，异质形核也越容易发生。随着研究的深入，研究者有了更多的认识，如Greer等[2]在**形核理论的基础上提出自由生长模型(free growth model)、润
目录
目录
前言
第1章 金属凝固过程及基础理论 1
1.1 液态与固态金属的结构 1
1.1.1 液态金属结构 1
1.1.2 固态金属结构 2
1.2 晶核的形成 2
1.2.1 **均质形核模型 3
1.2.2 **异质形核模型 3
1.2.3 **异质形核理论的发展 6
1.2.4 形核能力评估 9
1.3 晶体生长及界面稳定性 12
1.3.1 固液界面结构及晶体的生长 12
1.3.2 界面稳定性 12
1.4 柱状晶向等轴晶的转变 15
1.4.1 晶核来源假说 16
1.4.2 凝固条件对CET的影响 20
1.4.3 CET预测模型 21
1.5 热裂纹的形成 24
1.5.1 热裂形成机制 25
1.5.2 热裂判据 26
1.5.3 热裂研究存在的问题 28
1.6 **凝固理论的局限性 29
第2章 凝固过程常用研究方法 30
2.1 异质形核研究方法 31
2.1.1 差热分析 31
2.1.2 原位透射电镜及同步辐射 32
2.1.3 分子动力学 33
2.2 凝固过程实验研究方法 36
2.2.1 直接实验法 36
2.2.2 离线实验(模拟实验)法 37
2.3 数值模拟方法 40
2.3.1 连铸过程数值模拟 40
2.3.2 铸锭凝固数值模拟 43
2.4 传统方法在冶金凝固过程研究中的局限性 44
第3章 冶金凝固过程热模拟方法 46
3.1 冶金凝固过程热模拟原理 46
3.2 凝固特征单元的选择 47
3.3 连铸板坯枝晶生长热模拟技术 50
3.3.1 技术原理 51
3.3.2 主要功能 53
3.4 连铸板坯枝晶生长热模拟的相似性检验 54
3.5 热模拟与传统凝固研究方法的比较 61
第4章 连铸坯柱状晶向等轴晶转变热模拟 62
4.1 强冷条件下等轴晶来源探索 62
4.1.1 柱状晶生长前沿等轴晶来源 62
4.1.2 心部等轴晶来源 67
4.2 柱状晶向等轴晶转变条件 68
4.2.1 柱状枝晶生长动力学 68
4.2.2 CET转变条件 72
4.2.3 连铸坯CET的影响因素 76
4.3 连铸坯凝固组织及CET预测模型优化 79
4.3.1 二元合金凝固组织预测及热模拟验证 79
4.3.2 双相不锈钢凝固组织及CET预测 82
第5章 工艺参数对连铸坯凝固组织影响热模拟 87
5.1 高铬马氏体不锈钢连铸可行性热模拟研究 87
5.1.1 连铸工艺参数对凝固组织影响 87
5.1.2 连铸工艺参数对宏观偏析的影响 92
5.1.3 铸坯中的夹杂物 97
5.1.4 凝固组织与宏观偏析的关系 98
5.2 高速钢连铸凝固组织热模拟 101
5.2.1 连铸M2高速钢凝固组织热模拟 101
5.2.2 PMO对M2高速钢铸坯凝固组织影响 107
5.3 连铸工艺参数对新型双相不锈钢铸坯凝固组织的影响 109
5.4 高碳T10A钢连铸工艺参数优化 112
第6章 连铸坯表层铸态组织演变规律热模拟 115
6.1 低碳钢连铸坯表层微观组织演变过程热模拟 115
6.1.1 热模拟实验过程 115
6.1.2 相似性检验 115
6.1.3 铸坯表层奥氏体晶粒长大规律 117
6.2 钢种成分对铸坯表层奥氏体晶粒生长的影响 119
6.3 结晶器冷却强度对铸坯表层奥氏体晶粒长大的影响 122
第7章 双辊连铸薄带凝固过程热模拟技术及应用 128
7.1 双辊连铸薄带凝固热模拟技术 128
7.2 硅钢薄带凝固组织热模拟研究 131
7.3 离心式薄带凝固热模拟应用 135
7.3.1 离心式薄带的浇注过程及凝固组织 135
7.3.2 亚快速凝固超性能工程材料开发 138
第8章 大型铸锭凝固组织热模拟 149
8.1 大型铸锭凝固热模拟技术 149
8.1.1 大型铸锭凝固特征单元及关键特征单元 149
8.1.2 技术原理 150
8.1.3 主要功能 150
8.2 25t铸锭表层及内部凝固组织热模拟 152
8.2.1 铸锭表层凝固组织热模拟 152
8.2.2 25t铸锭内部凝固组织热模拟 154
8.3 231t铸锭凝固热模拟 156
8.3.1 231t大型铸锭凝固组织热模拟 156
8.3.2 大型铸锭凝固组织热模拟 158
8.3.3 热模拟凝固组织分析 161
8.3.4 冷却速率与凝固组织的关系 163
8.3.5 强制对流对凝固组织的影响 164
第9章 异质形核热模拟技术及其应用 169
9.1 异质形核热模拟技术 169
9.1.1 技术原理 169
9.1.2 主要功能 170
9.2 Au的异质形核机理研究 171
9.2.1 不同衬底触发Au形核的过冷度 171
9.2.2 Au在不同单晶衬底的形核过冷度 172
9.2.3 不同衬底触发Au形核统计结果 172
9.2.4 冷速对Au形核过冷的影响 173
9.2.5 Au的润湿角 175
9.3 Al的异质形核机理研究 176
9.3.1 不同质形核衬底过冷度 176
9.3.2 Al在不同衬底上异质形核的过冷度 177
9.3.3 形核过冷度与异质界面尺寸 179
9.3.4 异质形核过
试读
第1章 金属凝固过程及基础理论
金属凝固过程及基础理论
金属是应用*广泛的结构材料，是工业、农业、国防及国家综合实力的基础。金属制品在制备过程中几乎都要经历凝固过程。认识金属凝固过程，特别是生产条件下金属的形核、晶体生长、组织转变和缺陷形成规律，对合理制定生产工艺及开发新技术具有十分重要的意义。
凝固是金属由液态向固态转变的相变过程。金属凝固过程主要包括两个阶段：*先是形核，即液相中的原子形成团簇达到所需的临界形核半径形成晶核；其次是生长，即晶核形成后逐渐向熔体中扩展和长大。
1.1 液态与固态金属的结构
1.1.1 液态金属结构
液态金属常被称为熔体。液态是物质存在的基本形态之一，介于气态与固态之间。宏观上，液体具有流动性和各向同性，一般不可压缩、不能承受外力而保持一定形状。液体一般都可以承受很大的静压力而不发生明显的体积变化，但无法承受剪切力，从而导致其具有流动性。液体的流动性可以用黏度来进行描述，大部分液体的黏度都小于10–1Pa s[1]。一些流动性强的金属熔体可以很好地充型，这促使人类利用该特性开发出一系列实用的凝固技术，如铸造出具有一定形状的零部件和工艺品等。
液态金属的微观结构对金属的凝固过程和组织有显著的影响，因此关于液态金属结构的研究受到科学界的高度重视。近代物理学的发展使人们可以利用X射线衍射和中子衍射等技术直接观测金属熔体的液态结构。结果显示，熔体由大量的原子团簇、空穴和化合物组成。原子集团或团簇表现出短程有序、长程无序的结构特征，原子集团或团簇内部原子呈有序排列，而原子集团或团簇之间往往存在一定数量的自由原子和空穴，呈无序排列。这种结构导致熔体中具有大量的“自由体积”，该自由体积随机分布在更紧密结合的原子团簇中，且分布状态随时变化，导致液态金属中存在“结构起伏”“浓度起伏”“能量起伏”现象。研究表明，这种结构特征使自扩散和相互扩散速率比长程有序的相高出几个数量级，并赋予熔体良好的流动性。原子团簇被认为是形核阶段晶核形成的基础，对晶体生长也具有重要影响。
1.1.2 固态金属结构
除了特殊条件下制备的非晶态金属，固态金属一般都以晶体形式存在。晶体被定义为由原子、离子或分子的重复三维结构形成的同质固体，其组成部分之间的距离是固定的。因此，固态金属是由金属原子的周期性规则排列组成，受到长程有序的严格约束，并满足晶格点群对称性所决定的空间不变性。也就是说，长程有序确保了特殊对称性的存在，并提供了粒子位置的长程相关性，即使在宏观尺度上也是如此。因此，从微观角度看，金属的结晶或凝固就是由无序和短程有序的液态结构向长程有序的晶体结构的转变过程。
固态金属与液态存在显著差异，其长程有序的晶体结构允许金属在液相线以下几乎所有温度区间都可以承受较大的剪切力，因此可以保持一定形状并具有较大的抗变形能力。这种状态也可以用数值巨大的黏度(一般选择1014Pa s以上的数值)来粗略地表示，从而方便在模型或数值模拟中统一描述液态和固态金属。
根据热力学平衡原理，凝固过程中会实现特定晶相的选择，该晶相将在液相线以下和一定压力下使系统的自由能*小。
1.2 晶核的形成
当金属熔体的温度低于其平衡液相线时，相对于同一温度下的固体而言，其吉布斯自由能较高，因此金属熔体有向固体转变的趋势，这便是熔体凝固的热力学解释。固液两相自由能的差值成为形核的驱动力。另外，当金属熔体中出现晶核时，界面能增加，这会成为晶体形核的阻力。因此形核过程可以看作界面能和体积自由能的竞争过程，为了克服界面能给形核带来的阻力，需要一定的过冷度。
晶体的形核方式理论上可分为均质形核和异质形核两类。所谓均质形核是指在液相中各个区域出现新相晶核的概率都是相同的；所谓异质形核是指依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行的形核过程，在液相中某些区域出现新相的机会多于液相中的其他区域。因为异质形核需要克服的能量壁垒远远小于均质形核，而金属熔体中不可避免地存在大量的杂质，这些杂质可能成为金属熔体异质形核的衬底，所以如果不采取特殊的手段处理，实际金属的形核都是异质形核。
20世纪20年代开始，研究者提出了众多形核相在不同形核效能和不同几何形状衬底上的形核模型。形核物理过程和机理的研究*早可以追溯到外延生长模型和**形核理论，通常用球冠生长模型和润湿角来进行描述。晶体形核的自由能变化难以测定，但是形核衬底的晶体结构和几何形貌对异质形核影响非常大，因此常用形核衬底与金属熔体润湿角的大小来表征异质相作为形核衬底的能力。一般认为，其润湿角越小，晶核形成所需要的形核功越小，异质形核也越容易发生。随着研究的深入，研究者有了更多的认识，如Greer等[2]在**形核理论的基础上提出自由生长模型(free growth model)、润
