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金属凝固原理金属凝固原理.第一章第一章 概概 论论第第四四次次工工业业革革命命 2014年年德德国国汉汉诺诺威威工工业业博博览览会会4月月7日日至至11日日举举行行。“工工业业4.0”概概念念受受到到关注。关注。早早 在在 2006年年，联联 邦邦 政政 府府 高高 技技 术术 战战 略略2020，即，即未来项目未来项目“工业工业4.0”。中国制造中国制造2025-十三五规划十三五规划-中国梦中国梦高度智能化高度智能化-信息化信息化-对人才的要求对人才的要求-跨界能力跨界能力.第一章第一章 概概 论论怎怎样样具具有有跨跨界界能能力力？中中西西教教育育的的差差距距？不不出出国国能不能赶上？怎样赶上？能不能赶上？怎样赶上？为为什什么么读读研研？职职业业规规划划？人人生生规规划划？如如何何实实现现？为为什什么么活活着着？怎怎样样活活得得的的更更好好？我我应应该该在在有有限限的时间内培养哪些技能？的时间内培养哪些技能？.第一章第一章 概概 论论基基本本思思路路：人人文文修修养养的的提提升升整整体体思思维维、逻逻辑辑思思维维能能力力、文文字字处处理理能能力力、搜搜索索能能力力（搜搜商商）、批批判性的思维。判性的思维。雾里看花雾里看花-怎样看得清清楚楚，明明白白？怎样看得清清楚楚，明明白白？归归纳纳总总结结，找找相相同同找找不不同同，为为什什么么相相同同，为为什什么不同？么不同？.第一章第一章 概概 论论学而不思则罔学而不思则罔 思而不学则殆思而不学则殆 温故而知新温故而知新 “虽虽有有嘉嘉肴肴，弗弗食食不不知知其其旨旨也也；虽虽有有至至道道，弗弗学学不不知知其其善善也也。是是故故学学然然后后知知不不足足，教教然然后后知知困困。知知不不足足，然然后后能能自自反反也也；知知困困，然然后后能能自自强强也也。故故曰曰：教学相长也教学相长也。”-礼记礼记.学记学记 .第一章第一章 概概 论论推荐相关的书籍：推荐相关的书籍：肖纪美肖纪美 宏观材料导论宏观材料导论 2014.12 材料学方法论材料学方法论 1994李庆春等李庆春等 铸件形成理论铸件形成理论 1982胡汉起胡汉起 金属凝固原理金属凝固原理关绍康关绍康 等等 材料成型基础材料成型基础 周尧和周尧和 胡壮麒胡壮麒 介万奇介万奇 凝固技术凝固技术.第一章第一章 概概 论论Fleming M G,Solidification Processing.Kurz W,Ficker D J.Foundamentals of Solidification.Switzweland:Trans Pub.Ltd,1998 汉译本汉译本 凝固原理凝固原理库尔兹和费希尔库尔兹和费希尔 大大野野笃笃美美著著，邢邢建建东东译译，金金属属的的凝凝固固理理论论、实践与应用。实践与应用。.第一章第一章 概概 论论中国制造中国制造中国制造中国制造2025 2025 从工业大国到工业强国从工业大国到工业强国从工业大国到工业强国从工业大国到工业强国 .第一章第一章 概概 论论中国制造中国制造中国制造中国制造2025 2025 从工业大国到工业强国从工业大国到工业强国从工业大国到工业强国从工业大国到工业强国 .第一章第一章 概概 论论先进材料是关键支撑：金属材料、无机非金属先进材料是关键支撑：金属材料、无机非金属先进材料是关键支撑：金属材料、无机非金属先进材料是关键支撑：金属材料、无机非金属材料、高分子材料。材料、高分子材料。材料、高分子材料。材料、高分子材料。凝固：局限于金属材料？凝固：局限于金属材料？.第一章第一章 概概 论论 凝固凝固（solidificationsolidification）：液态向固态的相变）：液态向固态的相变过程。过程。凝固：凝聚、凝结、固结凝固：凝聚、凝结、固结 一种极为普遍的物理现象，广泛存在于自一种极为普遍的物理现象，广泛存在于自然界和工程技术领域。然界和工程技术领域。例：水例：水冰冰 火山熔岩火山熔岩固化固化 高分子材料成形过程中是否也存在？高分子材料成形过程中是否也存在？水泥的凝固过程？粉末冶金过程？水泥的凝固过程？粉末冶金过程？与结晶的区别与联系？与结晶的区别与联系？.第一章第一章 概概 论论 凝凝固固原原理理（solidification solidification principleprinciple）：凝凝固固学学，本本课课程程以以金金属属为为主主要要研研究究对对象象金属凝固或液态金属凝固学。金属凝固或液态金属凝固学。.第第一一节节 液液态态金金属属凝凝固固学学的的研研究究对对象象一、研究对象和内容一、研究对象和内容一、研究对象和内容一、研究对象和内容 研究对象：液态金属研究对象：液态金属研究对象：液态金属研究对象：液态金属固态的过程。固态的过程。固态的过程。固态的过程。研研研研究究究究内内内内容容容容：是是是是研研研研究究究究液液液液态态态态金金金金属属属属（合合合合金金金金）转转转转变变变变成成成成固固固固态态态态金金金金属属属属（合合合合金金金金）这这这这一一一一凝凝凝凝固固固固过过过过程程程程的的的的理理理理论论论论及及及及技技技技术术术术，定定定定性性性性地地地地特特特特别别别别是是是是定定定定量量量量地地地地揭揭揭揭示示示示其其其其内内内内在在在在联联联联系系系系和和和和规规规规律律律律，发发发发现现现现新新新新现现现现象象象象，探探探探求未知参数，开拓新的凝固技术和工艺。求未知参数，开拓新的凝固技术和工艺。求未知参数，开拓新的凝固技术和工艺。求未知参数，开拓新的凝固技术和工艺。二、液态金属凝固学的理论基础二、液态金属凝固学的理论基础二、液态金属凝固学的理论基础二、液态金属凝固学的理论基础 物物物物理理理理化化化化学学学学、金金金金属属属属学学学学、传传传传热热热热学学学学、传传传传质质质质学学学学、动动动动量量量量传传传传输输输输学学学学等等等等，在在在在此此此此基基基基础础础础上上上上，阐阐阐阐述述述述液液液液态态态态金金金金属属属属的的的的结结结结构构构构和和和和性性性性质质质质，晶晶晶晶体的生核及长大，宏观组织及其控制等内容。体的生核及长大，宏观组织及其控制等内容。体的生核及长大，宏观组织及其控制等内容。体的生核及长大，宏观组织及其控制等内容。.研究手段：研究手段：研究手段：研究手段：实验实验实验实验数学解析数学解析数学解析数学解析数值模拟数值模拟数值模拟数值模拟物理模拟物理模拟物理模拟物理模拟相变热力学：相变热力学：相变热力学：相变热力学：相平衡相平衡相平衡相平衡界面界面界面界面化学平衡化学平衡化学平衡化学平衡凝固动力学：凝固动力学：凝固动力学：凝固动力学：溶质再分配溶质再分配溶质再分配溶质再分配形核形核形核形核生长生长生长生长化学反应化学反应化学反应化学反应传输现象：传输现象：传输现象：传输现象：传热传热传热传热传质传质传质传质对流对流对流对流控制手段：控制手段：控制手段：控制手段：温度场控制（冷却方式）温度场控制（冷却方式）温度场控制（冷却方式）温度场控制（冷却方式）机械力机械力机械力机械力物理场：电磁力、超重力、物理场：电磁力、超重力、物理场：电磁力、超重力、物理场：电磁力、超重力、微重力微重力微重力微重力化学方法：晶粒细化、变化学方法：晶粒细化、变化学方法：晶粒细化、变化学方法：晶粒细化、变质、孕育处理质、孕育处理质、孕育处理质、孕育处理宏观组织（晶粒形态与宏观组织（晶粒形态与宏观组织（晶粒形态与宏观组织（晶粒形态与尺寸）尺寸）尺寸）尺寸）微观组织（亚晶界、枝微观组织（亚晶界、枝微观组织（亚晶界、枝微观组织（亚晶界、枝晶间距、次生相）晶间距、次生相）晶间距、次生相）晶间距、次生相）强化相尺寸、形态及分强化相尺寸、形态及分强化相尺寸、形态及分强化相尺寸、形态及分布布布布多相合金的相结构多相合金的相结构多相合金的相结构多相合金的相结构组织均匀性组织均匀性组织均匀性组织均匀性成分均匀性（宏观偏析成分均匀性（宏观偏析成分均匀性（宏观偏析成分均匀性（宏观偏析与微观偏析）与微观偏析）与微观偏析）与微观偏析）组织致密性组织致密性组织致密性组织致密性气孔、夹杂气孔、夹杂气孔、夹杂气孔、夹杂应力、变形、开裂应力、变形、开裂应力、变形、开裂应力、变形、开裂晶体结构缺陷晶体结构缺陷晶体结构缺陷晶体结构缺陷非晶、微晶、纳米晶及非晶、微晶、纳米晶及非晶、微晶、纳米晶及非晶、微晶、纳米晶及非平衡晶非平衡晶非平衡晶非平衡晶形状完整性形状完整性形状完整性形状完整性力学性能力学性能力学性能力学性能物理性能物理性能物理性能物理性能化学性能化学性能化学性能化学性能凝固凝固过程过程理论理论模型模型研究研究指导指导揭示揭示完善完善控制（实践）控制（实践）获得获得要求要求.三、凝固理论与技术研究的重点三、凝固理论与技术研究的重点1 1、合合合合金金金金的的的的化化化化学学学学成成成成分分分分是是是是决决决决定定定定凝凝凝凝固固固固组组组组织织织织、成成成成分分分分分分分分布布布布及及及及相相相相结结结结构构构构形形形形成成成成倾倾倾倾向向向向的的的的首首首首要要要要因因因因素素素素。（单单单单项项项项凝凝凝凝固固固固、多多多多相相相相凝凝凝凝固）固）固）固）2 2、合合合合金金金金成成成成分分分分确确确确定定定定后后后后，凝凝凝凝固固固固组组组组织织织织是是是是由由由由凝凝凝凝固固固固过过过过程程程程的的的的传传传传热热热热、传传传传质质质质及及及及液液液液体体体体流流流流动动动动决决决决定定定定的的的的。因因因因而而而而，凝凝凝凝固固固固过过过过程程程程的的的的传传传传热热热热、传质和对流成为凝固理论与技术研究的重点。传质和对流成为凝固理论与技术研究的重点。传质和对流成为凝固理论与技术研究的重点。传质和对流成为凝固理论与技术研究的重点。3 3、合合合合金金金金液液液液的的的的结结结结构构构构对对对对凝凝凝凝固固固固过过过过程程程程与与与与组组组组织织织织有有有有重重重重要要要要影影影影响响响响，如如如如合金液的预处理（过热处理、微合金化处理）。合金液的预处理（过热处理、微合金化处理）。合金液的预处理（过热处理、微合金化处理）。合金液的预处理（过热处理、微合金化处理）。.16合成与加工合成与加工化学成分化学成分使用性能使用性能(Service Performance)性质性质 理论及材料设计理论及材料设计环境影响环境影响 结构（组织）结构（组织）材料科学与工程的内涵材料科学与工程的内涵.四、研究对象尺度变化对凝固过程的控制因素四、研究对象尺度变化对凝固过程的控制因素和环节的影响和环节的影响 研研研研究究究究对对对对象象象象是是是是单单单单一一一一过过过过程程程程（LSLS），但但但但研研研研究究究究对对对对象象象象尺尺尺尺度度度度大大大大小小小小的的的的变变变变化化化化使使使使凝凝凝凝固固固固过过过过程程程程的的的的控控控控制制制制因因因因素素素素和和和和环环环环节节节节具具具具有有有有本质的差别。本质的差别。本质的差别。本质的差别。例例例例：小小小小尺尺尺尺寸寸寸寸铸铸铸铸件件件件 金金金金属属属属型型型型 快快快快速速速速凝凝凝凝固固固固 凝凝凝凝固固固固时时时时间间间间极极极极短短短短（几几几几秒秒秒秒）溶溶溶溶质质质质的的的的扩扩扩扩散散散散和和和和对对对对流流流流的的的的作作作作用用用用将将将将不不不不明明明明显显显显，导导导导热成为热成为热成为热成为SPSP的控制环节。的控制环节。的控制环节。的控制环节。大大大大铸铸铸铸件件件件（数数数数十十十十吨吨吨吨、上上上上百百百百吨吨吨吨）砂砂砂砂型型型型 凝凝凝凝固固固固时时时时间间间间极极极极长长长长（几几几几小小小小时时时时、上上上上百百百百小小小小时时时时）溶溶溶溶质质质质扩扩扩扩散散散散对对对对SPSP中中中中的的的的对对对对流流流流影影影影响响响响极极极极大大大大，元元元元素素素素的的的的宏宏宏宏观观观观偏偏偏偏析析析析也也也也成成成成为为为为SPSP研研研研究究究究与与与与控控控控制制制制的的的的主主主主要问题。要问题。要问题。要问题。.五五、工工业业生生产产中中常常见见的的V V冷冷（SPSP中中的的V V冷冷是是凝凝固固条件的主要指标）条件的主要指标）大型铸件：大型铸件：大型铸件：大型铸件：1010-3-31010-2-2/S/S普通铸件：普通铸件：普通铸件：普通铸件：1010-3-310102 2/S/S普通雾化工艺生产金属粉末：普通雾化工艺生产金属粉末：普通雾化工艺生产金属粉末：普通雾化工艺生产金属粉末：10103 3 /S/S快速雾化工艺生产金属粉末：快速雾化工艺生产金属粉末：快速雾化工艺生产金属粉末：快速雾化工艺生产金属粉末：10104 4 /S/S雾化沉积、单辊法、激光表面重熔（快速凝固雾化沉积、单辊法、激光表面重熔（快速凝固雾化沉积、单辊法、激光表面重熔（快速凝固雾化沉积、单辊法、激光表面重熔（快速凝固RSRS）10106 610109 9 /S/S.六、凝固原理地位和作用六、凝固原理地位和作用.六、凝固原理地位和作用六、凝固原理地位和作用.宝马汽车发动机宝马汽车发动机宝马汽车发动机宝马汽车发动机载人飞船载人飞船载人飞船载人飞船 嫦娥一号飞行云迹实拍图嫦娥一号飞行云迹实拍图嫦娥一号飞行云迹实拍图嫦娥一号飞行云迹实拍图.“王王王王冠冠冠冠上上上上的的的的明明明明珠珠珠珠”航航航航空空空空发发发发动动动动机机机机是是是是航航航航空空空空航航航航天天天天器器器器的的的的核核核核心心心心部部部部件件件件，其其其其发发发发展展展展水水水水平平平平已已已已成成成成为为为为一一一一个个个个国国国国家家家家科科科科技技技技水水水水平平平平、军军军军事事事事实实实实力力力力和和和和综综综综合合合合国国国国力力力力的的的的重重重重要要要要标标标标志志志志之之之之一一一一。人人人人类类类类航航航航空空空空史史史史上上上上航航航航空空空空动动动动力力力力技技技技术术术术的的的的每每每每一一一一次次次次重重重重大大大大革革革革命命命命性性性性进进进进展展展展，无无无无不不不不与与与与凝凝凝凝固固固固技技技技术术术术的的的的突突突突破破破破和进步相关。和进步相关。和进步相关。和进步相关。.“金金金金融融融融经经经经济济济济”、“网网网网络络络络经经经经济济济济”、“知知知知识识识识经经经经济济济济”等等等等意意意意识识识识的的的的强强强强烈烈烈烈冲冲冲冲击击击击传传传传统统统统的的的的金金金金属属属属材材材材料料料料成成成成形形形形加加加加工工工工工工工工业业业业被被被被看看看看成了成了成了成了“老气横秋老气横秋老气横秋老气横秋”的的的的“夕阳工业夕阳工业夕阳工业夕阳工业”。但但但但是是是是，美美美美国国国国的的的的经经经经验验验验告告告告诉诉诉诉我我我我们们们们，任任任任何何何何过过过过分分分分强强强强调调调调发发发发展展展展第第第第三三三三产产产产业业业业的的的的重重重重要要要要性性性性，而而而而忽忽忽忽视视视视制制制制造造造造业业业业对对对对国国国国民民民民经经经经济济济济健健健健康康康康发发发发展展展展重重重重要要要要性性性性的的的的作作作作法法法法，都都都都将将将将降降降降低低低低其其其其制制制制造造造造业业业业产产产产品品品品的的的的国国国国际际际际竞竞竞竞争力。争力。争力。争力。日日日日本本本本、德德德德国国国国汽汽汽汽车车车车工工工工业业业业的的的的快快快快速速速速崛崛崛崛起起起起，美美美美国国国国制制制制造造造造业业业业世世世世界界界界霸霸霸霸主主主主地地地地位位位位的的的的丧丧丧丧失失失失和和和和美美美美国国国国汽汽汽汽车车车车在在在在国国国国际际际际市市市市场场场场上上上上竞竞竞竞争争争争力力力力的的的的下下下下降降降降，使使使使美美美美国国国国政政政政府府府府和和和和专专专专家家家家充充充充分分分分认认认认识识识识到到到到制制制制造造造造业业业业的的的的重重重重要要要要性性性性，从从从从而而而而提提提提出出出出了了了了一一一一系系系系列列列列先先先先进进进进制制制制造造造造技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展战战战战略略略略，以以以以提提提提高高高高其制造业的技术水平和产品的竞争力。其制造业的技术水平和产品的竞争力。其制造业的技术水平和产品的竞争力。其制造业的技术水平和产品的竞争力。.2020世世世世纪纪纪纪9090年年年年代代代代，包包包包括括括括材材材材料料料料加加加加工工工工、成成成成形形形形新新新新技技技技术术术术等等等等“先进制造技术先进制造技术先进制造技术先进制造技术”被列入美国被列入美国被列入美国被列入美国“国家关键技术计划国家关键技术计划国家关键技术计划国家关键技术计划”。德国工业德国工业德国工业德国工业4.04.0，我国，我国，我国，我国“中国制造中国制造中国制造中国制造2025”2025”。.七、液态凝固理论发展七、液态凝固理论发展 凝凝凝凝固固固固理理理理论论论论研研研研究究究究核核核核心心心心为为为为“凝凝凝凝固固固固过过过过程程程程中中中中的的的的组组组组织织织织演演演演变变变变及及及及其其其其控控控控制制制制”,主主主主要要要要包包包包括括括括形形形形核核核核和和和和生生生生长长长长两两两两方方方方面面面面的的的的内内内内容。容。容。容。科科科科学学学学、系系系系统统统统研研研研究究究究始始始始于于于于近近近近代代代代。文文文文献献献献记记记记载载载载，最最最最早早早早可可可可以以以以追追追追溯溯溯溯到到到到17141714年年年年，但但但但到到到到2020世世世世纪纪纪纪40 40 年年年年代代代代，一一一一般般般般认认认认为国内外尚无公认的凝固理论，而只有铸冶工艺。为国内外尚无公认的凝固理论，而只有铸冶工艺。为国内外尚无公认的凝固理论，而只有铸冶工艺。为国内外尚无公认的凝固理论，而只有铸冶工艺。近近近近几几几几十十十十年年年年来来来来，随随随随着着着着工工工工业业业业及及及及科科科科学学学学技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展，通通通通过过过过以以以以科科科科学学学学研研研研究究究究为为为为轴轴轴轴线线线线的的的的实实实实践践践践理理理理论论论论再再再再实实实实践践践践的的的的发发发发展展展展、积积积积累累累累与与与与总总总总结结结结，逐逐逐逐渐渐渐渐形形形形成成成成了了了了现现现现代代代代凝凝凝凝固固固固理理理理论论论论的的的的基基基基本本本本框框框框架架架架 。.目前已经形成了一个较为完整的凝固材料体系。目前已经形成了一个较为完整的凝固材料体系。目前已经形成了一个较为完整的凝固材料体系。目前已经形成了一个较为完整的凝固材料体系。凝凝凝凝固固固固基基基基础础础础理理理理论论论论已已已已从从从从最最最最初初初初的的的的晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构和和和和生生生生长长长长形形形形态态态态等等等等显显显显微微微微层层层层次次次次上上上上研研研研究究究究，发发发发展展展展到到到到从从从从原原原原子子子子、分分分分子子子子层层层层次次次次上上上上研研研研究究究究生生生生长长长长界界界界面面面面和和和和熔熔熔熔体体体体结结结结构构构构以以以以及及及及质质质质、热热热热输输输输运运运运和和和和界界界界面面面面反反反反应应应应动动动动力力力力学学学学等等等等问问问问题题题题，形形形形成成成成了了了了包包包包括括括括晶晶晶晶体体体体形形形形核核核核理理理理论论论论、输输输输运运运运理理理理论论论论、界界界界面面面面稳稳稳稳定定定定性性性性理理理理论论论论、界界界界面面面面结结结结构构构构理理理理论论论论、界界界界面面面面动动动动力力力力学理论学理论学理论学理论和和和和负离子配位多面体负离子配位多面体负离子配位多面体负离子配位多面体模型等理论体系。模型等理论体系。模型等理论体系。模型等理论体系。.凝凝凝凝固固固固技技技技术术术术已已已已从从从从公公公公认认认认的的的的常常常常规规规规条条条条件件件件下下下下的的的的凝凝凝凝固固固固发发发发展展展展到到到到超超超超常常常常条条条条件件件件和和和和特特特特殊殊殊殊条条条条件件件件下下下下的的的的凝凝凝凝固固固固（快快快快速速速速凝凝凝凝固固固固、空空空空间间间间凝凝凝凝固固固固、超超超超高高高高压压压压凝凝凝凝固固固固、深深深深过过过过冷冷冷冷凝凝凝凝固固固固、激激激激光光光光（高高高高能能能能束束束束）快快快快速熔化凝固等）。速熔化凝固等）。速熔化凝固等）。速熔化凝固等）。液液液液态态态态成成成成形形形形原原原原材材材材料料料料的的的的丰丰丰丰富富富富、非非非非常常常常规规规规凝凝凝凝固固固固技技技技术术术术的的的的研研研研发发发发、计计计计算算算算机机机机计计计计算算算算能能能能力力力力的的的的提提提提高高高高以以以以及及及及基基基基础础础础学学学学科科科科新新新新成成成成就就就就在在在在凝凝凝凝固固固固科科科科学学学学研研研研究究究究中中中中的的的的应应应应用用用用，使使使使人人人人们们们们认认认认识识识识到到到到经经经经典典典典理理理理论论论论的的的的局限性，并向经典理论提出了挑战。局限性，并向经典理论提出了挑战。局限性，并向经典理论提出了挑战。局限性，并向经典理论提出了挑战。新新新新兴兴兴兴和和和和超超超超常常常常条条条条件件件件下下下下的的的的凝凝凝凝固固固固技技技技术术术术中中中中的的的的新新新新现现现现象象象象和和和和相相相相应应应应的的的的科科科科学学学学问问问问题题题题，即即即即远远远远平平平平衡衡衡衡和和和和极极极极端端端端不不不不平平平平衡衡衡衡情情情情况况况况下下下下的的的的凝凝凝凝固问题已经成为今后凝固理论研究的重点内容。固问题已经成为今后凝固理论研究的重点内容。固问题已经成为今后凝固理论研究的重点内容。固问题已经成为今后凝固理论研究的重点内容。.西西西西北北北北工工工工业业业业大大大大学学学学发发发发现现现现了了了了凝凝凝凝固固固固组组组组织织织织形形形形态态态态选选选选择择择择的的的的相相相相关关关关性性性性和和和和历历历历史史史史相相相相关关关关性性性性现现现现象象象象，并并并并用用用用实实实实验验验验证证证证实实实实了了了了一一一一定定定定条条条条件件件件下下下下枝晶生长间距也不是唯一的。枝晶生长间距也不是唯一的。枝晶生长间距也不是唯一的。枝晶生长间距也不是唯一的。中中中中国国国国科科科科学学学学院院院院沈沈沈沈阳阳阳阳金金金金属属属属所所所所和和和和山山山山东东东东大大大大学学学学分分分分别别别别采采采采用用用用分分分分子子子子动动动动力力力力学学学学方方方方法法法法从从从从原原原原子子子子尺尺尺尺度度度度层层层层次次次次上上上上研研研研究究究究了了了了合合合合金金金金凝凝凝凝固固固固的的的的微微微微观过程，取得了创新性的研究成果。观过程，取得了创新性的研究成果。观过程，取得了创新性的研究成果。观过程，取得了创新性的研究成果。.我我我我国国国国著著著著名名名名材材材材料料料料及及及及冶冶冶冶金金金金学学学学家家家家傅傅傅傅恒恒恒恒志志志志院院院院士士士士从从从从历历历历史史史史演演演演进进进进、材材材材料料料料发发发发展展展展、学学学学科科科科交交交交融融融融、基基基基础础础础理理理理论论论论以以以以及及及及凝凝凝凝固固固固本本本本身身身身的的的的内内内内涵涵涵涵与与与与客客客客观观观观需需需需求求求求考考考考虑虑虑虑，提提提提出出出出凝凝凝凝固固固固已已已已不不不不再再再再局局局局限限限限于于于于铸铸铸铸造造造造 和和和和 焊焊焊焊 接接接接 领领领领 域域域域，凝凝凝凝 固固固固 应应应应 作作作作 为为为为 大大大大 科科科科 学学学学（Big Big ScienceScience）对对对对待待待待，应应应应强强强强调调调调它它它它的的的的综综综综合合合合性性性性、基基基基础础础础性性性性、实实实实践践践践性性性性、工工工工程程程程性性性性、前前前前沿沿沿沿性性性性与与与与创创创创新新新新性性性性，从从从从更更更更高高高高、更更更更广广广广阔的角度来要求它，发展它。阔的角度来要求它，发展它。阔的角度来要求它，发展它。阔的角度来要求它，发展它。.整整整整体体体体思思思思维维维维、局局局局部部部部思思思思维维维维、逆逆逆逆向向向向思思思思维维维维、多多多多向向向向思思思思维维维维、综合思维（普遍性、特殊性）综合思维（普遍性、特殊性）综合思维（普遍性、特殊性）综合思维（普遍性、特殊性）.第第二二节节 凝凝固固过过程程的的研研究究方方法法 凝凝固固过过程程中中除除了了S SL L界界面面迁迁移移外外，还还伴伴随随传传热热、传传质质、液液相相流流动动和和固固相相运运动动。这这些些过过程程不不仅仅对对固固液液界界面面的的迁迁移移速速率率及及形形态态产产生生影影响响，而而且且这这些些场场量量之之间间互互相相影影响响，是是一一个个非非常常复复杂杂的的过过程程。1 1、数数字字解解析析方方法法 2 2、数数值值计计算算方方法法 3 3、实实验验方方法法.第第三三节节 液液态态金金属属（合合金金）凝凝固固理理论论研研究究的的进进展展一、古代凝固技术一、古代凝固技术 50005000年冶铸技术，前年冶铸技术，前年冶铸技术，前年冶铸技术，前30003000年主要是青铜器，后年主要是青铜器，后年主要是青铜器，后年主要是青铜器，后20002000年主要是铁器。年主要是铁器。年主要是铁器。年主要是铁器。19781978年湖北随县出土的编钟，年湖北随县出土的编钟，年湖北随县出土的编钟，年湖北随县出土的编钟，6464件件件件8 8组（组（组（组（24002400年前战国初期铸造的）年前战国初期铸造的）年前战国初期铸造的）年前战国初期铸造的）明永乐明永乐明永乐明永乐1818年（公元年（公元年（公元年（公元1418142214181422年）铸造北京大年）铸造北京大年）铸造北京大年）铸造北京大钟寺的永乐大钟，钟寺的永乐大钟，钟寺的永乐大钟，钟寺的永乐大钟，4.64.6吨，吨，吨，吨，5.845.843.3(3.3(内内内内2.9)m2.9)m.二、现代凝固技术二、现代凝固技术（一）上世纪（一）上世纪（一）上世纪（一）上世纪50605060年代，经典凝固理论诞生时期年代，经典凝固理论诞生时期年代，经典凝固理论诞生时期年代，经典凝固理论诞生时期1、在一代大师在一代大师在一代大师在一代大师B.ChalmersB.Chalmers（多伦多大学）的指（多伦多大学）的指（多伦多大学）的指（多伦多大学）的指导下，导下，导下，导下，Tiller JacksonTiller Jackson和和和和RutterRutter于于于于5050年代初期在对年代初期在对年代初期在对年代初期在对凝固界面附近溶质分布求解的基础上提出了著名凝固界面附近溶质分布求解的基础上提出了著名凝固界面附近溶质分布求解的基础上提出了著名凝固界面附近溶质分布求解的基础上提出了著名的成分过冷理论，首次将传质和传热因素耦合起的成分过冷理论，首次将传质和传热因素耦合起的成分过冷理论，首次将传质和传热因素耦合起的成分过冷理论，首次将传质和传热因素耦合起来分析凝固过程组织形态问题。来分析凝固过程组织形态问题。来分析凝固过程组织形态问题。来分析凝固过程组织形态问题。（只有扩散，无对流）（只有扩散，无对流）（只有扩散，无对流）（只有扩散，无对流）产生产生产生产生“成分过冷成分过冷成分过冷成分过冷”的判据的判据的判据的判据.2、Jackson Hunt提提出出了了枝枝晶晶和和共共晶晶合合金金凝凝固固过过程程扩扩散散场场的的理理论论解解，并并在在此此基基础础上上获获得得枝枝晶晶及及共共晶晶间间距距与与凝凝固固条条件件（G.R）的的关关系系式式，得到许多实验的支持。得到许多实验的支持。Jackson-Hunt模型下推出共晶片间距模型下推出共晶片间距与凝与凝固速率固速率R的平方根成反比。的平方根成反比。.3、Flemings等等从从工工程程的的角角度度出出发发，进进一一步步考考虑虑了了SP两两相相区区的的液液相相流流动动效效应应，提提出出局局部部溶溶质再分配方程等理论模型。质再分配方程等理论模型。4、俄裔捷克铸造工程师、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量通过对大量冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸造工艺设计的理论依据之一。造工艺设计的理论依据之一。凝固层厚度凝固层厚度凝固系数凝固系数.（二）（二）（二）（二）6060年代后，研究工作重点放在经典凝固理论的年代后，研究工作重点放在经典凝固理论的年代后，研究工作重点放在经典凝固理论的年代后，研究工作重点放在经典凝固理论的应用上应用上应用上应用上 1 1、如钢锭的质量控制，连铸钢锭的电磁搅拌。、如钢锭的质量控制，连铸钢锭的电磁搅拌。、如钢锭的质量控制，连铸钢锭的电磁搅拌。、如钢锭的质量控制，连铸钢锭的电磁搅拌。2 2、以以以以提提提提高高高高质质质质量量量量，降降降降低低低低原原原原材材材材料料料料和和和和能能能能源源源源消消消消耗耗耗耗为为为为目目目目标标标标的的的的优优优优质质质质铸铸铸铸件件件件理理理理论论论论与与与与技技技技术术术术，快快快快速速速速凝凝凝凝固固固固技技技技术术术术，定定定定向向向向solidifationsolidifation，半固态铸造在这一时期诞生。，半固态铸造在这一时期诞生。，半固态铸造在这一时期诞生。，半固态铸造在这一时期诞生。3 3、通通通通过过过过大大大大量量量量的的的的实实实实验验验验研研研研究究究究，ChalmersChalmers及及及及大大大大野野野野笃笃笃笃美美美美等等等等人人人人提提提提出出出出“激激激激冷冷冷冷等等等等轴轴轴轴晶晶晶晶游游游游离离离离”理理理理论论论论，JacksonJackson、SouthiSouthi等等等等人人人人提提提提出出出出“枝枝枝枝晶晶晶晶熔熔熔熔断断断断”及及及及“结结结结晶晶晶晶雨雨雨雨”理理理理论论论论，以以以以此此此此为为为为指指指指导导导导可可可可有有有有效效效效控控控控制制制制结结结结晶晶晶晶过过过过程程程程和和和和凝凝凝凝固固固固组组组组织织织织。在在在在这这这这些些些些理理理理论论论论的的的的基基基基础础础础上上上上，机机机机械械械械及及及及超超超超声声声声波波波波振振振振动动动动、机机机机械械械械及及及及电电电电磁磁磁磁液液液液相相相相搅搅搅搅拌拌拌拌、孕孕孕孕育育育育处处处处理理理理、变变变变质质质质处处处处理理理理等等等等技技技技术术术术得得得得以以以以发发发发展展展展与与与与推推推推广广广广并并并并仍仍仍仍在在在在不断改进及完善。不断改进及完善。不断改进及完善。不断改进及完善。.4 4、最近、最近、最近、最近2020年年年年 极端条件下极端条件下极端条件下极端条件下SPSP的研究（如的研究（如的研究（如的研究（如RSRS、超重力、微重力、超高、超重力、微重力、超高、超重力、微重力、超高、超重力、微重力、超高压）。压）。压）。压）。计算机，凝固过程模拟和凝固过程控制。计算机，凝固过程模拟和凝固过程控制。计算机，凝固过程模拟和凝固过程控制。计算机，凝固过程模拟和凝固过程控制。我国铸造技术的发展我国铸造技术的发展n n1.1.古代铸造技术成就古代铸造技术成就古代铸造技术成就古代铸造技术成就n n商商商商周周周周陶陶陶陶范范范范铸铸铸铸造造造造:陶陶陶陶范范范范制制制制作作作作在在在在商商商商周周周周时时时时期期期期已已已已非非非非常常常常精精精精细细细细，并并并并皆皆皆皆有有有有面面面面料、背料之分，可铸造剑和编钟。料、背料之分，可铸造剑和编钟。料、背料之分，可铸造剑和编钟。料、背料之分，可铸造剑和编钟。n n战战战战国国国国考考考考式式式式记记记记：记记记记载载载载六六六六种种种种锡锡锡锡青青青青铜铜铜铜的的的的配配配配比比比比，称称称称为为为为“六六六六齐齐齐齐”，说说说说明明明明该该该该时时时时期期期期对对对对锡锡锡锡青青青青铜铜铜铜成成成成分分分分与与与与组组组组织织织织、性性性性能能能能的的的的关关关关系系系系已已已已有有有有规规规规律律律律性性性性的的的的认识。认识。认识。认识。n n传传传传统统统统失失失失蜡蜡蜡蜡法法法法：湖湖湖湖北北北北、河河河河南南南南近近近近年年年年出出出出土土土土了了了了春春春春秋秋秋秋、战战战战国国国国时时时时期期期期的的的的失失失失蜡蜡蜡蜡铸件。明代铸件。明代铸件。明代铸件。明代天工开物天工开物天工开物天工开物上就有记载失蜡法的工艺过程。上就有记载失蜡法的工艺过程。上就有记载失蜡法的工艺过程。上就有记载失蜡法的工艺过程。.n生生铁铁冶冶炼炼技技术术：周周朝朝末末年年，开开始始有有了了铸铸铁铁。铁铁制制农农具具发发展展很很快快。秦秦汉汉以以后后，耕耕田田的的农农具具：锄锄、鎌鎌、犁犁、锹锹等等都都是是铁铁制制品品。生铁的早期发展，为整个中国的钢铁技术发展奠定了基础。生铁的早期发展，为整个中国的钢铁技术发展奠定了基础。n铸铸铁铁金金属属型型:铁铁范范：早早在在战战国国时时期期，已已用用铁铁范范成成批批铸铸造造农农具具、手工工具。手工工具。n可可锻锻铸铸铁铁、球球墨墨铸铸铁铁：战战国国时时期期已已有有白白心心、黑黑心心可可锻锻铸铸铁铁。西西汉汉时时期期此此技技术术达达成成熟熟，成成为为铸铸作作坊坊中中的的常常规规工工艺艺。近近年年来来发现近十件石墨为球形的铸铁农具。发现近十件石墨为球形的铸铁农具。n层层叠叠铸铸造造：王王莽莽时时代代，一一次次铸铸184枚枚铜铜钱钱、河河南南温温县县窑窑出出土土的的2000年前叠箱浇注的铸件，一组年前叠箱浇注的铸件，一组18个马嚼子。个马嚼子。n大大型型及及特特大大型型铸铸件件：沧沧州州铁铁狮狮子子：公公元元953年年：50吨吨；当当阳阳铁铁塔塔：公公元元1061年年，50吨吨；正正定定铜铜佛佛：公公元元971年年：50吨；永乐大钟：公元吨；永乐大钟：公元1418年，年，46吨。吨。n对对经经济济文文化化的的重重大大影影响响：日日常常用用语语中中：模模范范、范范围围、陶陶冶冶、铸成大错等来自于古代铸造术语。铸成大错等来自于古代铸造术语。.战国早期。战国早期。1978年于湖北省随县（今随州年于湖北省随县（今随州市）擂鼓墩曾侯乙墓出土。尊是盛酒器，盘则市）擂鼓墩曾侯乙墓出土。尊是盛酒器，盘则是盛水器。出土时尊置于盘内，两件器物放在是盛水器。出土时尊置于盘内，两件器物放在一起浑然一体。尊作喇叭状，高一起浑然一体。尊作喇叭状，高33.1厘米，口厘米，口宽宽62厘米。宽沿上饰玲珑剔透的蟠虺透空花纹厘米。宽沿上饰玲珑剔透的蟠虺透空花纹，花纹又分上下两层，形似朵朵云彩。尊的颈，花纹又分上下两层，形似朵朵云彩。尊的颈部附饰有四头豹形爬兽，皆由透空的蟠螭纹构部附饰有四头豹形爬兽，皆由透空的蟠螭纹构成兽身，作攀附上爬状，返顾吐长舌。在圆鼓成兽身，作攀附上爬状，返顾吐长舌。在圆鼓的尊腹和高圈足部位，于浅浮雕及镂空的蟠螭的尊腹和高圈足部位，于浅浮雕及镂空的蟠螭纹上，各加饰四条高浮雕的虬龙，取得了层次纹上，各加饰四条高浮雕的虬龙，取得了层次丰富、主次分明的艺术效果。盘高丰富、主次分明的艺术效果。盘高24厘米，宽厘米，宽57.6厘米，深厘米，深12厘米。盘口外折下垂，直壁平厘米。盘口外折下垂，直壁平底，下附有四只龙形蹄足，口沿上另附四个方底，下附有四只龙形蹄足，口沿上另附四个方耳，耳的两侧为扁平镂空夔纹；在四耳之间，耳，耳的两侧为扁平镂空夔纹；在四耳之间，各有一条虬龙攀附，其整体艺术风格与同出的各有一条虬龙攀附，其整体艺术风格与同出的尊相一致。曾侯尊盘最为惊人之处，就在于那尊相一致。曾侯尊盘最为惊人之处，就在于那千丝万缕、鬼斧神工的透空附饰。千丝万缕、鬼斧神工的透空附饰。据冶金专家鉴定，该器是使用失蜡法铸造据冶金专家鉴定，该器是使用失蜡法铸造成的成的。出土文物 曾侯尊盘曾侯尊盘.编编钟钟战国早期。1978年于湖北省随县（今随州市）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