中國礦業(yè)大學《材料科學基礎》課件第三章凝固

中國礦業(yè)大學《材料科學基礎》課件第三章凝固目錄contents凝固的基本概念凝固的熱力學與動力學凝固的微觀結構與性能凝固技術的應用凝固的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展凝固的基本概念01物質從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。定義凝固過程中物質狀態(tài)的變化，涉及熱力學和動力學因素。特性定義與特性凝固是許多工業(yè)生產過程中必不可少的環(huán)節(jié)，如鑄造、焊接等。凝固得到的固態(tài)物質具有獨特的結構和性能，對材料的應用和性能至關重要。凝固的重要性材料性能工業(yè)生產凝固的歷史與發(fā)展歷史凝固理論和實踐的歷史可以追溯到古代，隨著科學技術的進步，凝固理論不斷完善。發(fā)展現(xiàn)代凝固理論和技術不斷發(fā)展，涉及的領域和應用越來越廣泛。凝固的熱力學與動力學02熱力學第一定律描述能量轉換和守恒的規(guī)律，即系統(tǒng)總能量的變化等于輸入和輸出的能量差。熱力學第二定律描述自發(fā)過程的方向性，即自發(fā)過程總是向著熵增加的方向進行。自由能與相變自由能是描述系統(tǒng)穩(wěn)定性的物理量，當自由能達到最小值時，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。在凝固過程中，自由能的變化決定了相變的發(fā)生。熱力學基礎擴散控制過程在凝固過程中，溶質的擴散控制了凝固速率。溶質通過濃度梯度傳遞，擴散到固液界面并結晶出來。形核與長大形核是凝固過程中的一個重要階段，它決定了晶體的大小和形態(tài)。形核需要克服勢壘，并需要一定的過冷度。晶體長大是通過溶質的擴散和再結晶過程進行的。動力學過程相變熱力學相變是物質從一種狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過程，它受到熱力學定律的制約。在凝固過程中，相變的發(fā)生需要滿足一定的熱力學條件，如溫度、壓力和成分等。相變動力學相變動力學描述了相變過程的速率和機制。在凝固過程中，相變速率受到多種因素的影響，如溫度、壓力、溶質濃度和晶體結構等。凝固過程中的相變凝固的微觀結構與性能0303凝固過程中的微觀結構變化在凝固過程中，微觀結構會發(fā)生變化，如晶粒尺寸、晶體取向等，這些變化對材料的性能產生影響。01微觀結構對材料性能的影響微觀結構決定了材料的物理、化學和機械性能，是影響材料性能的關鍵因素。02晶體結構與非晶體結構的區(qū)別晶體結構具有規(guī)則的原子排列，而非晶體結構則沒有。這兩種結構在性能上存在顯著差異。微觀結構熱導率與微觀結構的關系材料的熱導率受到其微觀結構的影響，如晶界、氣孔等對熱導率的貢獻。熱膨脹系數與微觀結構的關系材料的熱膨脹系數與其微觀結構密切相關，不同結構的材料具有不同的熱膨脹系數。電導率與微觀結構的關系材料的電導率受到其微觀結構的影響，如晶界、雜質等對電導率的影響。物理性能030201韌性及延展性與微觀結構的關系材料的韌性和延展性也受到其微觀結構的影響，如晶界、相界等對抗裂紋擴展能力的影響。疲勞性能與微觀結構的關系材料的疲勞性能與其微觀結構密切相關，微觀結構的缺陷和應力集中點是導致疲勞裂紋萌生的主要原因。強度與微觀結構的關系材料的強度受到其微觀結構的影響，如晶粒尺寸、相組成等對強度的影響。機械性能凝固技術的應用04通過控制凝固過程，制備具有特定性能和結構的金屬材料，如高強度、耐腐蝕、耐磨等。金屬材料制備利用凝固技術制備陶瓷、玻璃、復合材料等非金屬材料，實現(xiàn)材料的輕量化、高強度和多功能化。非金屬材料制備通過凝固技術探索和制備具有優(yōu)異性能的新材料，如超導材料、納米材料等，推動材料科學的創(chuàng)新發(fā)展。新材料研發(fā)在材料科學中的應用

在工業(yè)生產中的應用鑄造利用凝固技術將液態(tài)金屬澆注到模具中，制成各種機械零件和產品，提高生產效率和產品質量。焊接通過熔融-凝固過程將兩個金屬件連接在一起，廣泛應用于建筑、橋梁、船舶、汽車等領域。熱處理通過控制材料的凝固和冷卻過程，實現(xiàn)對金屬材料的組織和性能的調控，提高材料的力學性能和耐腐蝕性。核能材料在核能領域，利用凝固技術制備具有優(yōu)異耐高溫、耐腐蝕和抗輻照性能的材料，保障核能設施的安全運行。燃料電池通過凝固技術制備燃料電池的電極和電解質材料，提高燃料電池的效率和穩(wěn)定性。太陽能電池利用凝固技術制備硅基太陽能電池，實現(xiàn)太陽能的有效轉化和利用。在新能源領域的應用凝固的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展05目前凝固技術的發(fā)展已經面臨一些技術瓶頸，如高熔點材料的凝固速度慢、凝固過程中的微觀組織控制等問題。技術瓶頸隨著對環(huán)保要求的提高，如何實現(xiàn)綠色、高效的凝固技術成為亟待解決的問題。環(huán)境影響新型凝固技術的研發(fā)和應用需要大量的資金和時間投入，如何降低成本是當前面臨的重要挑戰(zhàn)之一。成本壓力當前面臨的挑戰(zhàn)新材料開發(fā)未來將更加注重開發(fā)新型的凝固材料，以滿足各種特殊需求。智能化控制通過引入智能化技術，實現(xiàn)對凝固過程的精確控制，提高產品質量和穩(wěn)定性。綠色化發(fā)展發(fā)展環(huán)保型的凝固技術，減少對環(huán)境的負面影響，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。未來發(fā)展方向研發(fā)新型的凝固設備，以提高生產效率和產品質量。新型凝固