中國(guó)礦業(yè)大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件第三章凝固

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件第三章凝固目錄contents凝固的基本概念凝固的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)凝固的微觀結(jié)構(gòu)與性能凝固技術(shù)的應(yīng)用凝固的挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展凝固的基本概念01物質(zhì)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程。定義凝固過(guò)程中物質(zhì)狀態(tài)的變化，涉及熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素。特性定義與特性凝固是許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(zhì)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，對(duì)材料的應(yīng)用和性能至關(guān)重要。凝固的重要性材料性能工業(yè)生產(chǎn)凝固的歷史與發(fā)展歷史凝固理論和實(shí)踐的歷史可以追溯到古代，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，凝固理論不斷完善。發(fā)展現(xiàn)代凝固理論和技術(shù)不斷發(fā)展，涉及的領(lǐng)域和應(yīng)用越來(lái)越廣泛。凝固的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)02熱力學(xué)第一定律描述能量轉(zhuǎn)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(xué)第二定律描述自發(fā)過(guò)程的方向性，即自發(fā)過(guò)程總是向著熵增加的方向進(jìn)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(dāng)自由能達(dá)到最小值時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在凝固過(guò)程中，自由能的變化決定了相變的發(fā)生。熱力學(xué)基礎(chǔ)擴(kuò)散控制過(guò)程在凝固過(guò)程中，溶質(zhì)的擴(kuò)散控制了凝固速率。溶質(zhì)通過(guò)濃度梯度傳遞，擴(kuò)散到固液界面并結(jié)晶出來(lái)。形核與長(zhǎng)大形核是凝固過(guò)程中的一個(gè)重要階段，它決定了晶體的大小和形態(tài)。形核需要克服勢(shì)壘，并需要一定的過(guò)冷度。晶體長(zhǎng)大是通過(guò)溶質(zhì)的擴(kuò)散和再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行的。動(dòng)力學(xué)過(guò)程相變熱力學(xué)相變是物質(zhì)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過(guò)程，它受到熱力學(xué)定律的制約。在凝固過(guò)程中，相變的發(fā)生需要滿足一定的熱力學(xué)條件，如溫度、壓力和成分等。相變動(dòng)力學(xué)相變動(dòng)力學(xué)描述了相變過(guò)程的速率和機(jī)制。在凝固過(guò)程中，相變速率受到多種因素的影響，如溫度、壓力、溶質(zhì)濃度和晶體結(jié)構(gòu)等。凝固過(guò)程中的相變凝固的微觀結(jié)構(gòu)與性能0303凝固過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化在凝固過(guò)程中，微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，如晶粒尺寸、晶體取向等，這些變化對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響。01微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，是影響材料性能的關(guān)鍵因素。02晶體結(jié)構(gòu)與非晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別晶體結(jié)構(gòu)具有規(guī)則的原子排列，而非晶體結(jié)構(gòu)則沒(méi)有。這兩種結(jié)構(gòu)在性能上存在顯著差異。微觀結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系材料的熱導(dǎo)率受到其微觀結(jié)構(gòu)的影響，如晶界、氣孔等對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)。熱膨脹系數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系材料的熱膨脹系數(shù)與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同結(jié)構(gòu)的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)。電導(dǎo)率與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系材料的電導(dǎo)率受到其微觀結(jié)構(gòu)的影響，如晶界、雜質(zhì)等對(duì)電導(dǎo)率的影響。物理性能030201韌性及延展性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系材料的韌性和延展性也受到其微觀結(jié)構(gòu)的影響，如晶界、相界等對(duì)抗裂紋擴(kuò)展能力的影響。疲勞性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系材料的疲勞性能與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，微觀結(jié)構(gòu)的缺陷和應(yīng)力集中點(diǎn)是導(dǎo)致疲勞裂紋萌生的主要原因。強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系材料的強(qiáng)度受到其微觀結(jié)構(gòu)的影響，如晶粒尺寸、相組成等對(duì)強(qiáng)度的影響。機(jī)械性能凝固技術(shù)的應(yīng)用04通過(guò)控制凝固過(guò)程，制備具有特定性能和結(jié)構(gòu)的金屬材料，如高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨等。金屬材料制備利用凝固技術(shù)制備陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等非金屬材料，實(shí)現(xiàn)材料的輕量化、高強(qiáng)度和多功能化。非金屬材料制備通過(guò)凝固技術(shù)探索和制備具有優(yōu)異性能的新材料，如超導(dǎo)材料、納米材料等，推動(dòng)材料科學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展。新材料研發(fā)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用鑄造利用凝固技術(shù)將液態(tài)金屬澆注到模具中，制成各種機(jī)械零件和產(chǎn)品，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。焊接通過(guò)熔融-凝固過(guò)程將兩個(gè)金屬件連接在一起，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、船舶、汽車(chē)等領(lǐng)域。熱處理通過(guò)控制材料的凝固和冷卻過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料的組織和性能的調(diào)控，提高材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性。核能材料在核能領(lǐng)域，利用凝固技術(shù)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(shè)施的安全運(yùn)行。燃料電池通過(guò)凝固技術(shù)制備燃料電池的電極和電解質(zhì)材料，提高燃料電池的效率和穩(wěn)定性。太陽(yáng)能電池利用凝固技術(shù)制備硅基太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的有效轉(zhuǎn)化和利用。在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用凝固的挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展05目前凝固技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)面臨一些技術(shù)瓶頸，如高熔點(diǎn)材料的凝固速度慢、凝固過(guò)程中的微觀組織控制等問(wèn)題。技術(shù)瓶頸隨著對(duì)環(huán)保要求的提高，如何實(shí)現(xiàn)綠色、高效的凝固技術(shù)成為亟待解決的問(wèn)題。環(huán)境影響新型凝固技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用需要大量的資金和時(shí)間投入，如何降低成本是當(dāng)前面臨的重要挑戰(zhàn)之一。成本壓力當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)新材料開(kāi)發(fā)未來(lái)將更加注重開(kāi)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(guò)引入智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)凝固過(guò)程的精確控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性。綠色化發(fā)展發(fā)展環(huán)保型的凝固技術(shù)，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。未來(lái)發(fā)展方向研發(fā)新型的凝固設(shè)備，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新型凝固