《熔化和凝固的》課件

熔化和凝固從原子和分子的角度探討物質(zhì)的熔化和凝固過(guò)程。了解這些基本物理現(xiàn)象對(duì)工業(yè)和生活應(yīng)用有重要意義。M什么是熔化和凝固物質(zhì)的熔化熔化是一種物質(zhì)從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)的過(guò)程。在加熱的作用下，固體物質(zhì)會(huì)吸收熱量并打破其分子間的結(jié)合力，從而發(fā)生熔化。物質(zhì)的凝固凝固是一種物質(zhì)從液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)的過(guò)程。當(dāng)液體物質(zhì)失去熱量并達(dá)到臨界溫度時(shí)，其分子間會(huì)重新形成結(jié)合力而變?yōu)楣腆w。相互轉(zhuǎn)換物質(zhì)的熔化和凝固是相互依存的過(guò)程,在一定溫度條件下可以相互轉(zhuǎn)換。這種相變是材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的根本基礎(chǔ)。材料的三種狀態(tài)固態(tài)固體材料具有固定的形狀和體積,分子或原子緊密排列,難以發(fā)生變形。代表性有金屬、陶瓷、塑料等。液態(tài)液體材料具有不固定的形狀但固定的體積,分子或原子較為松散,易于流動(dòng)變形。代表性有水、汽油等。氣態(tài)氣體材料具有不固定的形狀和體積,分子或原子排列極為松散,可以自由擴(kuò)散。代表性有空氣、氧氣等。液體的特性重力作用液體受重力影響并流動(dòng),在容器中能自由流動(dòng)。表面張力液體表面分子之間的吸引力形成表面張力,使液體能保持一定的形狀。粘滯性不同液體內(nèi)部分子之間的摩擦力不同,造成粘滯性的差異。固體的特性結(jié)構(gòu)有序固體材料的原子或分子呈現(xiàn)有序排列,形成固有的幾何結(jié)構(gòu),這賦予了固體物質(zhì)獨(dú)特的機(jī)械和物理性質(zhì)。高密度固體材料通常密度較高,原子/分子緊密排列,與氣體和液體相比具有較小的體積?？箟耗芰?qiáng)固體材料分子間相互作用力大,可以抵御外力的壓縮變形,在受力時(shí)表現(xiàn)出良好的支撐和承載能力。形狀穩(wěn)定固體材料具有固有的形狀和體積,不會(huì)像液體和氣體那樣輕易變形。這使固體在應(yīng)用中具有穩(wěn)定性。物質(zhì)在溫度變化時(shí)的相變?nèi)刍?dāng)固體物質(zhì)受熱時(shí),其原子/分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇,最終打破晶體結(jié)構(gòu),物質(zhì)由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w,這個(gè)過(guò)程稱為熔化。凝固當(dāng)液體物質(zhì)冷卻時(shí),其原子/分子的熱運(yùn)動(dòng)減弱,重新排列形成有序的晶體結(jié)構(gòu),物質(zhì)由液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w,這個(gè)過(guò)程稱為凝固。汽化和液化當(dāng)溫度繼續(xù)升高,液體物質(zhì)可以轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w,這個(gè)過(guò)程稱為汽化。反之,當(dāng)溫度降低,氣體物質(zhì)可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w,這個(gè)過(guò)程稱為液化。相圖的概念1相圖定義相圖是用來(lái)描述物質(zhì)在溫度和壓力等條件下各種相態(tài)的變化關(guān)系的圖形。2相圖作用相圖可以預(yù)測(cè)物質(zhì)在不同條件下的狀態(tài)變化,指導(dǎo)材料的制備和加工。3相圖構(gòu)成相圖由溫度-壓力坐標(biāo)系組成,點(diǎn)、線和區(qū)域代表不同相態(tài)的存在條件。4相圖應(yīng)用相圖在材料科學(xué)、化學(xué)工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,是研究相變過(guò)程的重要工具。單組分相圖單組分相圖用于描述單一種類化合物在不同溫度和壓力條件下的相態(tài)變化。相圖明確了化合物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)以及固相、液相和氣相的區(qū)域。通過(guò)相圖可以預(yù)測(cè)物質(zhì)在溫度或壓力變化時(shí)會(huì)發(fā)生的相變。這對(duì)于理解和控制材料的熔化、凝固、蒸發(fā)和凝華過(guò)程十分重要。二元相圖二元相圖是描述兩種組分之間相平衡關(guān)系的圖形。它可以清楚地展示在不同溫度和組成條件下材料的相態(tài)，包括固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。通過(guò)分析二元相圖可以預(yù)測(cè)材料在固化過(guò)程中的相變行為，為材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供重要依據(jù)。相圖特征相圖示意圖相圖能夠直觀地展示物質(zhì)在不同溫度和壓力條件下的相態(tài)變化。每種物質(zhì)都有自己獨(dú)特的相圖，反映了其相變規(guī)律。相界線相圖中的相界線代表了不同相態(tài)之間的分界線。這些線條標(biāo)明了溫度和壓力變化時(shí)物質(zhì)發(fā)生相變的條件。臨界點(diǎn)相圖中的臨界點(diǎn)是物質(zhì)從氣態(tài)到液態(tài)或從液態(tài)到固態(tài)的臨界狀態(tài)點(diǎn)。這一點(diǎn)標(biāo)志著相變的臨界狀態(tài)。共晶反應(yīng)什么是共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)是兩種或多種成分在特定的溫度下形成一種新的固溶體相。這種固溶體相的熔點(diǎn)比單一成分的熔點(diǎn)都要低。共晶組成的特點(diǎn)共晶組成的成分比例是固定的,在相圖上表現(xiàn)為一個(gè)固定的點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著最低的共晶溫度。共晶反應(yīng)的重要性共晶反應(yīng)在金屬合金、陶瓷和高分子材料的制備中都有廣泛應(yīng)用,可以改善材料的機(jī)械性能和加工性。過(guò)冷度和過(guò)熱度過(guò)冷度過(guò)冷度是指液體在不發(fā)生相變的情況下,溫度低于正常凝固點(diǎn)的現(xiàn)象。這種情況下液體會(huì)處在亞穩(wěn)狀態(tài),一旦觸發(fā)就會(huì)瞬間結(jié)晶。過(guò)冷度可以提高材料的性能,但是也可能導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)異常。過(guò)熱度過(guò)熱度是指固體在不發(fā)生熔融的情況下,溫度高于正常熔點(diǎn)的現(xiàn)象。這種情況下固體會(huì)處在亞穩(wěn)狀態(tài),一旦觸發(fā)就會(huì)迅速熔化。過(guò)熱度可以促進(jìn)材料的加工成型,但是也可能導(dǎo)致材料的性能劣化。冷卻曲線11.溫度-時(shí)間圖描述材料在冷卻過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化。22.相變點(diǎn)標(biāo)記標(biāo)識(shí)材料在冷卻過(guò)程中發(fā)生相變的溫度點(diǎn)。33.冷卻速率計(jì)算根據(jù)曲線斜率計(jì)算材料的冷卻速率。44.分析相變過(guò)程結(jié)合相圖解釋材料在不同溫度點(diǎn)的相變行為。冷卻曲線是材料在冷卻過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化圖。通過(guò)分析冷卻曲線，我們可以確定材料在不同溫度下的相變點(diǎn)，并計(jì)算出冷卻速率。這些信息對(duì)于理解材料的結(jié)構(gòu)演變和性能特性至關(guān)重要。金屬的結(jié)晶過(guò)程1成核在熔體中，溫度降低到某個(gè)臨界溫度后，會(huì)出現(xiàn)大量微小的晶核，這些晶核會(huì)逐漸長(zhǎng)大形成晶粒。2晶粒生長(zhǎng)晶核在熔體中吸收周圍原子,使晶體逐漸長(zhǎng)大。生長(zhǎng)速度受溫度、成分等因素影響。3晶界形成當(dāng)相鄰的晶粒相互碰撞并阻礙彼此生長(zhǎng)時(shí),就會(huì)形成晶界,晶界是結(jié)構(gòu)缺陷。金屬的結(jié)晶過(guò)程1核化熔融金屬在冷卻過(guò)程中形成初始晶核2生長(zhǎng)晶核周圍的物質(zhì)不斷附著在其表面上3團(tuán)聚晶粒逐漸長(zhǎng)大并相互接觸形成晶粒邊界金屬材料在凝固過(guò)程中會(huì)發(fā)生結(jié)晶,這個(gè)過(guò)程包括三個(gè)主要階段:核化、生長(zhǎng)和團(tuán)聚。首先在熔融金屬中形成初始的晶核,然后隨著溫度的降低,晶核周圍的物質(zhì)不斷附著在其表面上發(fā)生生長(zhǎng);而后各個(gè)晶粒相互接觸形成晶粒邊界。這個(gè)過(guò)程決定了金屬材料的微觀組織和性能。熔體的冷卻和固化1成核在過(guò)冷液體中形成晶核2晶核生長(zhǎng)晶核在溫度梯度的推動(dòng)下向外生長(zhǎng)3枝晶體形成晶核在三維空間中自由生長(zhǎng)形成樹枝狀晶體4晶粒長(zhǎng)大晶粒邊界移動(dòng)和吞并小晶粒形成大晶粒熔融體在冷卻過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷成核、晶體生長(zhǎng)等階段最終形成固體材料。過(guò)冷度和冷卻速度是影響固化過(guò)程的關(guān)鍵因素。控制熔體冷卻可以調(diào)控材料的晶粒尺寸和組織形態(tài),進(jìn)而優(yōu)化材料性能。鑄造工藝鑄造模具鑄造模具是制造鑄件的基本工具，通過(guò)精心設(shè)計(jì)和制造可以確保鑄件質(zhì)量。澆注工藝合理的澆注工藝可以控制金屬流動(dòng)和凝固過(guò)程，避免缺陷的產(chǎn)生。冷卻控制通過(guò)合理控制冷卻速率和溫度梯度可以調(diào)控鑄件的組織和性能。晶粒細(xì)化技術(shù)1添加核生成劑在熔體中添加微小的不溶性顆粒,為新晶粒的形成提供有利的晶核。2變化冷卻速率適當(dāng)控制冷卻速率,使更多的晶粒得以形成而不被過(guò)大的晶粒所取代。3機(jī)械攪拌在熔體冷卻過(guò)程中進(jìn)行機(jī)械攪拌,可以打斷晶粒的生長(zhǎng),形成更細(xì)小的晶粒。4化學(xué)成分調(diào)控通過(guò)調(diào)整合金成分,可以改變材料的相變動(dòng)力學(xué),從而影響晶粒尺寸。加工工藝對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的影響金屬加工工藝金屬加工工藝如鍛造、壓延、鑄造等會(huì)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響,改變晶粒大小、形狀和取向。晶粒結(jié)構(gòu)變化加工后金屬晶粒會(huì)發(fā)生變形和再結(jié)晶,從而改變材料的性能和使用壽命。內(nèi)部缺陷不合理的加工工藝可能會(huì)引入內(nèi)部缺陷如氣孔、夾雜物等,影響金屬零件的強(qiáng)度和可靠性。熱處理工藝熔煉通過(guò)高溫將材料熔化,然后進(jìn)行鑄造或擠壓成型。熔煉可以充分混合材料成分,提高材料均勻性。加熱將材料加熱到一定溫度,通過(guò)控制加熱過(guò)程改變材料結(jié)構(gòu),從而調(diào)整材料性能。淬火將熱處理后的材料快速冷卻,可以提高材料硬度和強(qiáng)度。通過(guò)不同的冷卻方式可以獲得不同的組織結(jié)構(gòu)?；鼗饝?yīng)力消除回火是一種熱處理工藝,可以降低材料內(nèi)部殘余應(yīng)力,提高金屬的塑性和韌性。組織改善回火會(huì)改變金屬的晶粒結(jié)構(gòu)和相組成,使其達(dá)到所需的力學(xué)性能和使用性能。硬度調(diào)整通過(guò)控制回火溫度和時(shí)間,可以調(diào)整金屬的硬度和強(qiáng)度,滿足不同應(yīng)用需求。退火緩慢冷卻退火是將金屬加熱到適當(dāng)溫度并緩慢冷卻的工藝,目的是消除內(nèi)部應(yīng)力,改善機(jī)械性能。晶粒長(zhǎng)大退火過(guò)程中,金屬晶粒會(huì)不斷長(zhǎng)大,提高了塑性和韌性。熱處理溫度退火溫度通常低于材料的臨界溫度,以避免發(fā)生相變。應(yīng)用領(lǐng)域退火廣泛應(yīng)用于塑造金屬零件,以改善其加工性能。淬火定義淬火是一種熱處理工藝,通過(guò)快速加熱和急冷的方式改變金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高其硬度和強(qiáng)度。過(guò)程將鋼件加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上,保溫一段時(shí)間后立即浸入水、油或鹽水中進(jìn)行急冷。目的通過(guò)淬火可以獲得優(yōu)異的機(jī)械性能,如高硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度,為更好的工藝應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。時(shí)效處理時(shí)效的目的時(shí)效處理可以提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度和韌性等性能,是重要的工藝措施。時(shí)效過(guò)程通過(guò)高溫保溫、快速冷卻和時(shí)效溫度保溫等步驟,使合金的性能獲得優(yōu)化。時(shí)效機(jī)理時(shí)效過(guò)程中合金成分元素的析出和轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致晶格失衡,從而提高強(qiáng)度。時(shí)效類型按溫度分為自然時(shí)效和人工時(shí)效,根據(jù)合金不同有多種時(shí)效處理方式。應(yīng)力消除熱處理通過(guò)控制金屬的加熱和冷卻速率來(lái)釋放內(nèi)部應(yīng)力,從而達(dá)到調(diào)整金屬組織和性能的目的。噴砂處理利用高速小鋼球擊打金屬表面,產(chǎn)生表面壓縮應(yīng)力來(lái)抑制裂紋的擴(kuò)展,提高疲勞壽命。激光沖擊利用高能激光脈沖照射金屬表面,產(chǎn)生高峰值壓縮應(yīng)力,可有效消除表面和近表面的殘余拉應(yīng)力。陶瓷材料的燒結(jié)初始成型將陶瓷粉末在一定壓力下壓制成型,形成坯體。脫脂通過(guò)升溫去除成型過(guò)程中加入的有機(jī)物質(zhì)。燒結(jié)在高溫下,陶瓷顆粒發(fā)生粘結(jié)和致密化,形成堅(jiān)硬的陶瓷制品。冷卻合理的冷卻控制可以避免陶瓷在冷卻過(guò)程中發(fā)生裂紋。玻璃的形成1熔融玻璃將原料熔融成高粘度液體2高溫冷卻快速冷卻以避免結(jié)晶3固化成型使熔融玻璃固化成所需形狀玻璃的形成過(guò)程主要包括三個(gè)步驟:首先將原料熔融成高粘度的液體玻璃,然后進(jìn)行快速冷卻以避免結(jié)晶,最后使液體玻璃固化成所需要的形狀。這種快速冷卻的過(guò)程使得玻璃不會(huì)形成有序的晶體結(jié)構(gòu),而是呈現(xiàn)無(wú)定型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。高分子材料的固化過(guò)程加熱固化熱固性聚合物在加熱過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分子間形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而獲得堅(jiān)硬和耐熱的固體材料?；瘜W(xué)固化通過(guò)加入催化劑或交聯(lián)劑，促進(jìn)高分子分子間的化學(xué)反應(yīng)和交聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)固化過(guò)程。光固化UV光照射可激發(fā)光敏性單體或寡聚物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，快速實(shí)現(xiàn)固化成型。常用于制造涂料和粘合劑。相變對(duì)材料性能的影響流動(dòng)特性的變化相變會(huì)顯著改變材料的流動(dòng)特性。從固態(tài)到液態(tài)會(huì)大大提高流動(dòng)性，從而影響材料的加工工藝。反之從液態(tài)到固態(tài)會(huì)降低流動(dòng)性，增加加工難度。力學(xué)性能的差異材料在固態(tài)和液態(tài)時(shí)的密度、強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能存在顯著差異。相變會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)和原子排布的重大變化，從而影響其力學(xué)特性。電磁特性的變化相變會(huì)改變材料的電導(dǎo)率、磁性等電磁性能。例如鐵從鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí),其磁性會(huì)發(fā)生劇烈變化。這種變化在電子元件制造中很關(guān)鍵。熱學(xué)性質(zhì)的變化相變過(guò)程中材料會(huì)吸收或釋放大量熱量,導(dǎo)致熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等熱學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。這種變化在熱處理工藝中至關(guān)重要。相轉(zhuǎn)變的工程應(yīng)用1相變?cè)诮饘偌庸ぶ械膽?yīng)用相變可以用于改善金屬的硬度、強(qiáng)度和耐腐蝕性能,如通過(guò)熱處理等工藝實(shí)現(xiàn)