凝固過程凝固過程的傳熱

高溫金屬熔體在凝固時(shí)的相變是原子由無序狀態(tài)向有序排列的轉(zhuǎn)變過程。伴隨相變反應(yīng)同時(shí)還發(fā)生釋放熱能和熱能傳遞等傳熱過程、元素偏析和氣體析出等傳質(zhì)過程。凝固過程金屬體積會(huì)出現(xiàn)顯著變化。

一般鐵合金凝固的溫度低于其熔點(diǎn)。金屬開始凝固的溫度低于其熔點(diǎn)的現(xiàn)象稱為過冷。熔體的過冷度隨著冷卻速度的提高而增大。金屬凝固是晶粒的形成和長(zhǎng)大的過程。這一過程的驅(qū)動(dòng)力是固相和液相的自由能差值。熔體只有具備一定的過冷度才具備凝固過程的所需要的驅(qū)動(dòng)力。過冷度越高驅(qū)動(dòng)力越大，金屬凝固速度越快。形核的阻力是液相和固相的界面能，即形核的表面能。

在冷卻速度非常高時(shí)液態(tài)金屬無序的原子結(jié)構(gòu)會(huì)保存下來生成具有無定形結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)合金。非晶態(tài)合金又稱金屬玻璃，通常是由鐵、鎳、硅、硼元素等鐵合金制成。由于原子排列的特殊結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)合金不僅具有優(yōu)異的耐腐蝕性、高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性，而且還表現(xiàn)出優(yōu)良的軟磁性能以及超導(dǎo)特性。

一些雜質(zhì)元素在金屬固相中的溶解度比液相低。因此，在合金由液相向固相轉(zhuǎn)變時(shí)，溶解度低的雜質(zhì)元素會(huì)從固相分離出來，富集在液相中，使鐵合金產(chǎn)出現(xiàn)偏析。

大多數(shù)鐵合金的固相密度比液相小5%～10%。凝固后鐵錠外表面會(huì)出現(xiàn)收縮或縮孔，內(nèi)部出現(xiàn)疏松及裂隙。氣體元素在固相中的溶解度隨溫度降低而降低。凝固時(shí)分離出來的氣體被固化在合金錠內(nèi)部形成明顯的氣孔或結(jié)構(gòu)疏松。

金屬在凝固時(shí)放出的熱能數(shù)值上相當(dāng)于其熔化熱。鐵合金凝固過程放出的熱能通過熱傳導(dǎo)和熱輻射傳遞給錠模和周圍環(huán)境。金屬硅的熔化熱約為鐵、錳等黑色金屬熔化熱的5倍。金屬硅和硅鐵等硅系鐵合金凝固時(shí)放出的大量熱能顯著降低其冷凝速度，使硅系鐵合金更易出現(xiàn)元素偏析。此外，硅系鐵合金凝固放熱傳遞到錠模，使錠模溫度過高，會(huì)導(dǎo)致錠模損毀。為了加快錠模冷卻需要使用模鐵比高的錠模澆注硅系鐵合金。

爐渣冷卻過程伴隨著爐渣組分的相變。爐渣由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，析出各種復(fù)臺(tái)氧化物。在凝固過程中，首先析出的是高熔點(diǎn)的復(fù)合氧化物。隨著溫度降低，液相爐渣熔體中固體結(jié)晶質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量逐漸增加，爐渣黏度顯著增加。

由SiO₂一MgO一AI₂O₃，三元系相圖可以看出，在高碳鉻鐵爐渣冷卻時(shí)，首先結(jié)晶出來的是鎂鋁尖晶石（MgO·Al₂O₃），未凝固的熔體成分發(fā)生改變，熔化溫度下降，而后陸續(xù)析出的是莫來石（3Al₂O₃·2SiO₂）或鎂橄欖石（2MgO·SiO₂），最后凝固的是低熔點(diǎn)的共晶化合物。

由SiO₂一CaO一AI₂O₃一MnO四元系相圖可以看出，硅錳合金爐渣凝固時(shí)，首先析出的復(fù)合化合物是鈣長(zhǎng)石或橄欖石?？刂茽t渣的冷卻速度可以改變凝固過程發(fā)生的相變，改變固體爐渣的性質(zhì)。

當(dāng)硅酸鹽爐渣冷卻速度過快時(shí)，可以將爐渣高溫?zé)o定形的形態(tài)保存到室溫。從爐內(nèi)放出的熔融爐渣在高壓水流或風(fēng)流沖擊下轉(zhuǎn)變成以非定形玻璃體為主的?；?。冷卻速度決定了爐渣中玻璃體的數(shù)量。水淬渣中玻璃體的數(shù)量為93%～95%；風(fēng)淬爐渣的玻璃體數(shù)量為90%左右。

錳鐵和鉻鐵的水淬渣主要成分為CaO一Al₂O₃一SiO₂一MgO四元系構(gòu)成的無定形玻璃體，并含有少量橄欖石或鈣長(zhǎng)石等結(jié)晶相。玻璃狀物質(zhì)結(jié)構(gòu)致密、硬度較高，多為不規(guī)則形狀。由無定形玻璃體組成的?；癄t渣經(jīng)磨細(xì)加工后具有較高的水硬活性，與水作用生成硬度高的水化物。水淬渣相結(jié)構(gòu)決定了其水硬性和用涂。

血液凝固過程可分為3個(gè)基本步驟：①凝血酶原激活物的形成。②凝血酶的形成。③纖維蛋白形成。根據(jù)凝血酶原激活物形成途徑的不同，將凝血過程分為內(nèi)源性凝血途徑和外源性凝血途徑。

內(nèi)源性凝血途徑 在損傷血管內(nèi)膜時(shí)，由FⅫ啟動(dòng)，完全依靠血漿內(nèi)凝血因子，逐步使FX激活而發(fā)生的凝血稱

為內(nèi)源性凝血途徑（intrinsic pathway of blood coagulation）。首先FⅫ接觸到異物表面被激活為FⅫa。FⅫa的主要功能是激活FⅪ為FⅪa。FⅪa在Ca² 的參與下將FIX轉(zhuǎn)變?yōu)镕Ⅸa。FⅨa、FⅧa、Ca² 、PF。結(jié)合形成復(fù)合物，進(jìn)而激活FX為FXa，在FXa形成后，內(nèi)源性和外源性凝血進(jìn)入相同的途徑。

外源性凝血途徑 如果是依靠血管外組織釋放的FⅢ來參與，逐步使FX激活而發(fā)生的凝血，稱為外源性凝血途徑（extrinsic pathway of blood coagulation）。當(dāng)血管損傷時(shí)，暴露出組織因子，F(xiàn)Ⅲ與FVIIa結(jié)合成FⅦa一組織因子復(fù)合物，在Ca² 的參與下，激活FX成FXa。此外，F(xiàn)Ⅶa^-組織因子復(fù)合物還能激活FIX轉(zhuǎn)變?yōu)镕IXa，從而將內(nèi)源性、外源性凝血聯(lián)系起來，共同完成凝血過程。

通常外源性凝血途徑較快，內(nèi)源性凝血途徑較慢，但在實(shí)際情況中，單純由一種途徑引起血液凝固的情況并不多見，多是內(nèi)源性凝血和外源性凝血兩條途徑相互促進(jìn)、同時(shí)進(jìn)行的。機(jī)體發(fā)生的血液凝固過程是一個(gè)正反饋，雖然復(fù)雜，一旦開始，將會(huì)迅速連續(xù)進(jìn)行，直至完成。

血液凝固的基本步驟：疑血酶原激活物形成→疑血酶原→凝血酶→纖維蛋白原→纖維蛋白

鐵合金澆注和?；瘯r(shí)凝固的形狀和大小取決于液態(tài)鐵合金的物理性能，特別是表面張力、黏度、合金熔點(diǎn)和其氧化物的熔點(diǎn)。

凝固過程表面張力的影響

表面張力起著減少液體表面的作用。純鐵的表面功大約為1.8N/m解在鐵水中的碳、錳和硅等元素使得該值降低。含4%碳與少量的錳和硅形成的熔體表面張力約為1.5N/m。硫和氧對(duì)鐵的表面張力有著極大的影響。含硫量小到0.06%，鐵基熔體的表面張力為0.9N/m爐料級(jí)鉻鐵和高碳錳鐵表面張力為1.1～1.3N/m面張力直接影響成團(tuán)塊澆注機(jī)中產(chǎn)生的扁平鐵餅的厚度。

鐵餅的厚度與液態(tài)金屬的表面張力、液態(tài)金屬比重有關(guān)。在低碳鉻鐵或低碳鋼的鐵餅厚度為10mm左右，而表面張力較低的錳鐵鐵餅厚度為4～5mm。黏度是另一個(gè)重要的參數(shù)，黏度高的金屬熔體即使其表面張力較低也能?；珊竦蔫F餅。

在金屬液球的冷卻過程中，球體各部位溫差較大，表面張力有所不同。如果冷區(qū)的表面張力小于熱區(qū)的表面張力，冷區(qū)的金屬就會(huì)被熱區(qū)的金屬拉到熱區(qū)附近。反之，熱區(qū)的表面張力小于冷區(qū)的表面張力，熱區(qū)的金屬就會(huì)被冷區(qū)的金屬拉到冷區(qū)附近，露出新的液態(tài)金屬表面。

由此可以推出：液體表面張力隨溫度升高而增大，那么鐵的表面呈現(xiàn)光滑；表面張力隨溫度降低而減少，鐵會(huì)形成有皺紋的表面。許多金屬的表面張力與溫度并非呈現(xiàn)線形變化。當(dāng)金屬過熱度太大時(shí)，粒化鐵餅通常是不光滑的。在實(shí)際生產(chǎn)中可以看到：粒化鎳鐵的表面是光滑的，而粒化鉻鐵的表面呈現(xiàn)許多皺紋。

凝固過程黏度的影響

液態(tài)金屬的黏度對(duì)鐵合金成形有一定影響。金屬液流在水流的沖擊下發(fā)生變形。液球的重力和表面張力將其拉成餅干狀。黏度高的液體有較高的抵抗變形的能力，鐵餅厚度較高。

凝固過程熔體溫度的影響

鐵合金的澆注溫度由1600℃提高到1700℃時(shí)形成固體外殼的時(shí)問由 0.1s延長(zhǎng)到0.7s左右。這將使?；虝r(shí)間延長(zhǎng)到2.5s。過熱度大的液態(tài)金屬在水?；尚螘r(shí)得到的粒度較小。

凝固過程化學(xué)成分的影響

碳、硅等元素在合金中的含量會(huì)影響合金的熔點(diǎn)和過熱程度。一般來說，含碳高的金屬熔體的熔點(diǎn)較高，比較容易過熱。低碳合金成塊澆注通常得到粒度大、強(qiáng)度高的金屬餅。為了得到較大塊度的高碳合金易采用低溫澆注。

鐵合金中的氣體含量對(duì)鐵的表面形狀影響很大。中低碳鉻鐵中溶解的氣體在凝固時(shí)從鐵水中析出，導(dǎo)致合金氣孔較多。經(jīng)過真空處理或蓋渣澆注的鉻鐵則幾乎沒有氣孔，會(huì)屬錳中溶解的氣體含量比較高，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)比較疏松、強(qiáng)度變差。

由于元素或化合物在液相和固相中溶解度的差異，鐵合金在凝固過程中會(huì)出現(xiàn)成分偏析。在結(jié)晶過程中幾乎所有的雜質(zhì)元素都會(huì)在平衡過程中重新在液相或固相中分配。雜質(zhì)分布也取決于結(jié)晶過程的完成狀況和結(jié)晶達(dá)到的平衡程度。按成分分類偏析基本可以分為五類：

（1）主要元素的偏析，如硅、鐵、錳等；

（2）在主元素相中溶解度小的或不溶解的元素，如硅、鋁、鈣等；

（3）碳的偏析；

（4）夾雜物偏析，如氧化物、爐渣以及內(nèi)生夾雜氮化物、硫化物、磷化物等；

（5）氣體在合金中的偏析等。

鐵合金偏析的類型大體分為宏觀偏析與顯微偏析。宏觀偏析主要是由于液態(tài)金屬在凝固時(shí)運(yùn)動(dòng)造成鐵合金錠內(nèi)部各點(diǎn)成分的宏觀差異。顯微偏析主要是結(jié)晶引起的晶界偏析等。一般來說，宏觀分析將直接影響鐵合金的使用，需要盡量加以避免。

通過實(shí)驗(yàn)探究知道物質(zhì)的固態(tài)和液態(tài)之間是可以轉(zhuǎn)換的；?通過實(shí)驗(yàn)探究知道熔化、凝固的含義；通過比較海波與松香的熔化和凝固過程，知道晶體和非晶體熔化與凝固過程。

初中物理

1.三.熱和能/2.熔化和凝固

2.三.熱和能/2.熔化和凝固/A.晶體與非晶體熔化和凝固的區(qū)別

3.三.熱和能/2.熔化和凝固/B.熔化吸熱、凝固放熱

4.三.熱和能/2.熔化和凝固/C.熔化和凝固的圖象 2100433B