《熔化和凝固 》课件

熔化和凝固探索物质从固态到液态、再次凝结的过程了解这些物理变化背后的机理和规律,学习目标掌握熔化和凝固的概念认识熔化和凝固的重要学会影响因素及原理掌握熔化和凝固的过程性了解什么是熔化和凝固熟悉其掌握影响熔点和凝固点的主要了解相变机制学会分析不同物,,定义和特征熟悉熔化和凝固在工业生产中因素并理解其作用原理质的熔化和凝固特点,的广泛应用什么是熔化和凝固熔化凝固相变过程熔化是指固体物质在温度上升到其熔点时凝固是指液体物质在温度降低到其凝固点时熔化和凝固是物质发生相变的两个相反的过,从固态转变为液态的过程这是物质发生相从液态转变为固态的过程这也是物质发程通过控制温度可以实现物质在固态和液,变的一种形式生相变的一种形式态之间的转换熔化和凝固的重要性能量转换和传递材料性能调控熔化和凝固是物质在固态和液态通过调控熔化和凝固过程可以控,之间发生相变的过程涉及能量的制材料的组织结构和性能在材料,,转换和传递在工业应用中扮演关科学和冶金工艺中广泛应用,键角色制品加工成型熔融态物质在凝固过程中可以成型在金属铸造、塑料注塑等加工技术中发,挥重要作用什么是熔点和凝固点熔点凝固点12物质从固体状态转变为液体状物质从液体状态转变为固体状态时的温度，也称为融化点态时的温度，也称为凝固点不同物质都有其独特的熔点与熔点相对应，不同物质的凝固点也不一样熔点和凝固点的关系3通常情况下，同一种物质的熔点和凝固点是相等的只有在非平衡条件下，才会出现一些差异影响熔点和凝固点的因素化学成分外部压力结构缺陷粒子大小物质的化学成分会显著影响其增加外部压力会提高物质的熔晶体结构中的缺陷如晶界、对于纳米级别的物质其表面,,熔点和凝固点添加杂质或合点和凝固点降低压力则会降位错等会影响物质的熔点和积体积比很大会显著影响其,,/,金成分通常会改变纯物质的熔低熔点和凝固点这是因为压凝固点这些缺陷会改变相变熔点和凝固点一般来说粒,点和凝固点力会改变相平衡过程的自由能变化子越小熔点和凝固点越低,常见的熔化和凝固物质金属材料非金属材料化学物质混合物质金属材料如铁、铜、铝等在加石蜡、冰、巧克力等非金属材许多化学物质如盐类、糖类等一些混合物质如合金、陶瓷等热后会熔化形成液态金属冷料也会发生熔化和凝固过程在加热后也会发生熔化和凝固在加热时也会发生熔化和凝固却后又会凝固成固态金属金它们的熔点和凝固点通常比金这些物质的熔点和凝固点随它们的熔点和凝固点取决于属的熔点和凝固点高于大多数属要低着物质的不同而有所差异成分比例其他材料金属的熔化和凝固金属在加热过程中会发生熔化分子间的作用力被打破从固体状态,,转变为液体状态在冷却过程中分子间的作用力重新被建立金属,,又从液体状态转变为固体状态这个过程称为凝固,金属的熔化和凝固是一个重要的物理变化过程对金属加工制造、,金属材料的性能和结构都有重要影响水的熔化和凝固水的熔化温度为凝固温度也为这是因为水具有独特的分子结构使其0°C,0°C,具有相当稳定的熔点和凝固点水的熔化和凝固是一个常见的相变过程在自然,界和工业应用中扮演着重要的角色水的相变过程对生活和工业生产都有重要影响比如雪花的形成、冰川的生长和,融化、以及制冷工艺的应用等了解水的熔化和凝固特性对于认识自然现象和优化工艺流程都很重要不同物质的熔化和凝固特点金属金属通常有较高熔点,在熔融状态下具有良好的流动性,凝固后形成晶体结构不同金属的熔融和凝固性能各不相同水水在0摄氏度时发生熔化和凝固,这一转变伴随体积变化和能量吸收释放水的熔化和凝固对自然界和生活中起着重要作用有机物质有机物质如蜡、烷烃等通常熔点较低,熔融后粘度较高它们的熔化凝固过程反映了分子间作用力的变化熔化和凝固的相变过程相变的起点物质在达到其熔点温度时开始从固态转变为液态这一过程称为熔化分子运动的变化熔化过程中物质分子从有序排列转变为无序运动状态分子间,的结合力降低结构的转变在凝固过程中液态物质从无序状态转变为有序排列的固态结构,固体相和液体相的变化固体相1固体相是原子或分子有规则排列,形成坚硬的晶体结构原子之间的键合力很强,使固体无法压缩,具有固定的形状和体积液体相2液体相是原子或分子无规则排列,可以流动和改变形状虽然液体相的分子之间仍然有一定的相互作用力,但比固体相弱得多固液相变3当温度达到一定条件时,固体物质会发生熔化,转变成液体相相反,液体在温度变化时会发生凝固,转变成固体相这个过程称为固液相变核生成和晶体生长原子核聚集1原子在熔体中开始聚集成为微小的晶核晶核生长2晶核逐渐吸收周围的原子而扩大体积晶体形成3当晶体足够大时它们就会在有序排列下生长,晶体的成长过程分为两个关键步骤首先是在熔体中形成原子核然后这些核在冷却过程中不断吸收周围的原子而逐渐长大最终形成有序排:,,列的晶体结构这个过程决定了最终材料的结构和性能均匀和非均匀结晶均匀结晶非均匀结晶在冷却过程中原子或分子规则有受到外界环境因素影响原子或分,,序地排列形成无缺陷的单晶结构子排列无规则产生晶界、晶粒和,,这种结晶方式通常会产生性能晶体缺陷这种结晶方式可能会优异的材料降低材料的性能影响因素温度梯度、冷却速率、杂质含量等都会影响熔体的结晶过程从而决定最终,结晶的均匀性单晶和多晶材料单晶材料多晶材料差异对比单晶材料是由一个连续、有序排列的晶体组多晶材料由许多小晶粒随机排列组成每个单晶材料具有优越的机械、电学和光学性能成的固体材料它们的原子排列有高度的有小晶粒都有一个独立的晶体结构晶粒之间但制造成本较高多晶材料性能略逊于单,,序和对称性缺乏晶界存在晶界晶但制造成本较低,,冷却曲线和过冷冷却曲线是描述某一物质从熔融状态到凝固状态的温度变化曲线它可以反映物质在相变过程中的温度变化规律过冷指物质在结晶过程中，温度低于其凝固点仍保持液体状态的现象过冷可以加快物质的结晶速度和改善材料的性能指标冷却曲线过冷现象定义描述物质从熔融到凝温度低于凝固点仍保固的温度变化持液体状态作用反映相变过程中的温加快结晶速度改善材度变化规律料性能外压对熔化和凝固的影响提高熔点和凝固点改变相变动力学12较高的外压能提高物质的熔点外压会影响物质分子间的距离和凝固点使其更难被熔化和凝和结合力从而改变相变的动力,,固学过程加快结晶速度改善成品质量34适度的外压能加快物质的结晶外压可有效控制熔化和凝固过速度促进均匀和细腻的晶体结程中的缺陷提高最终产品的质,,构形成量熔化和凝固的工艺技术真空熔炼熔炼助剂在真空环境下进行熔炼可以有效添加适量的熔炼助剂可以降低熔,,去除杂质提高纯度和质量这种体粘度、促进气泡浮出从而改善,,方法广泛应用于生产高端合金材金属的流动性和结晶品质料铸造工艺金属成型通过精确控制熔化、浇注和凝固利用塑性加工技术如锻造、轧制,过程可以生产出复杂结构件铸等可以赋予金属材料所需的尺寸,,造工艺广泛应用于机械制造业和形状这是金属加工的关键工艺真空熔炼技术真空条件真空熔炼在真空环境中进行以减少杂质进入并提高熔体的纯度,高温熔炼真空熔炼需要达到很高的温度以确保完全熔化和去除杂质,净化效果真空下熔融金属可去除氧、氮等有害气体获得高纯度金属,熔炼助剂的作用改善熔体性能脱氧和净化控制组织结构促进相变熔炼助剂可以调节熔体的粘度某些助剂能够吸附和去除熔体添加适量的助剂可以调整晶粒一些助剂能够降低相变温度,、流动性和表面张力从而优中的氧气、氮气和其他杂质大小和形状改善最终产品的缩短相变过程并提高熔炼效率,,,化金属的熔炼和浇铸性能提高金属的纯度组织结构和机械性能铸造工艺浇注成型砂型铸造12将熔融金属浇注到铸型中在冷使用黏合剂粘合的砂子制成铸,却凝固过程中获得所需形状和型适用于制造复杂零件和大型,尺寸的铸件铸件永久型铸造压铸工艺34采用金属铸型可反复使用适将熔融金属在高压作用下快速,,用于批量生产提高了生产效填充金属模具适用于制造薄壁,率和铸件质量复杂零件金属成型加工工艺金属压铸金属锻造金属注射成型利用高温液态金属在高压下填充模具可以通过施加机械力将金属加热软化并赋予所需将金属粉末与塑料粘结剂混合并注射到模具,快速、高效地制造出各种复杂形状的金属零形状广泛用于制造各种金属零件和构件中经过脱脂和烧结后得到致密的金属零件,,件这种工艺适用于制造汽车、电子等行业锻造工艺可以增强金属的力学性能这种工艺能制造出复杂的小型金属构件的金属零部件熔化和凝固缺陷气体缺陷收缩孔洞在熔化和凝固过程中气体的溶解由于体积收缩引起的内部应力会,和析出会形成气孔和气泡影响材导致收缩孔洞的形成降低材料可,,料强度和密度靠性晶粒异常生长凝固裂纹不均匀的冷却和杂质的影响会造热应力和成分偏析导致的凝固裂成局部晶粒的异常长大影响材料纹会损害材料的完整性和强度,性能缺陷形成机理热力学驱动力动力学过程12在熔化和凝固过程中因温度和原子的扩散、核生成、晶体生,压力的变化会产生热力学势垒长等动力学过程会在熔化和凝,这是缺陷形成的根本驱动力固时引发各种晶体缺陷外界环境控制措施34外部环境因素如杂质、应力等合理调控工艺参数如冷却速率,,也会干扰原子扩散和晶体生长、成核位置等可有效预防和控,,导致缺陷产生制缺陷的形成,预防和控制缺陷的措施优化晶体生长条件改进成型工艺使用合适的助剂通过精细控制温度、压力等参数可以促进采用合理的成型工艺如精密铸造、挤压等添加适当的熔化助剂可以改善液体金属的,,,,理想的晶体生长减少缺陷的形成可有效避免熔化和凝固过程中的缺陷产生流动性和结晶行为降低缺陷的风险,,实例分析我们以制造业中常见的金属熔化和凝固工艺为例介绍一个具体的应用案例这,个案例展示了如何利用熔点和凝固点的特性设计出高质量的铸造工艺生产出性,,能优异的金属零件通过对熔体温度、冷却速度和成型模具的精细控制我们可以实现均匀的晶体结,构降低内部缺陷最终制造出坚固可靠的产品这种先进的熔融和凝固技术在汽,,车、航空航天等领域广泛应用为现代制造业提供了强大的支撑,本章小结熔化和凝固的重要性熔点和凝固点的影响因素熔化和凝固是物质状态变化的基础过程在各种工艺和材料加工中温度、压力、杂质含量等因素都会影响物质的熔点和凝固点掌,都扮演着关键角色理解其机理对提高产品质量和效率至关重要握这些影响规律有助于控制和优化熔化凝固过程复习思考题通过回顾前面所学的内容让我们思考以下几个问题什么是熔化和凝固的定义,:1它们在生活和工业中有什么重要作用影响熔点和凝固点的主要因素有哪23些金属和水的熔化凝固过程有何特点4核生成和晶体生长过程中有哪些规律常见的金属成型工艺有哪些熔化567凝固过程中常见的缺陷有哪些如何预防和控制这些问题的思考和掌握将有助,,于我们进一步深入理解这一重要的物理变化过程参考文献课本和教材《材料科学与工程》，张学文等编著，高等教育出版社，年2017学术论文吴峰王颖金属熔融过程中的组织演化及其控制材料工程,.[J].,2020,481:1-

10.网络资源熔化和凝固过程的基本知识[EB/OL].http://www.matbase.com/material-categories/metals/introduction/melting-and-solidification.html.。