凝固過程

高溫金屬熔體在凝固時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出現(xiàn)顯著變化。

一般鐵合金凝固的溫度低于其熔點。金屬開始凝固的溫度低于其熔點的現(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大的過程。這一過程的驅(qū)動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)動力。過冷度越高驅(qū)動力越大，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液態(tài)金屬無序的原子結(jié)構(gòu)會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，溶解度低的雜質(zhì)元素會從固相分離出來，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。

鐵合金澆注和粒化時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、合金熔點和其氧化物的熔點。

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塊澆注機中產(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粒化成厚的鐵餅。

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，粒化鐵餅通常是不光滑的。在實際生產(chǎn)中可以看到：?；囪F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℃時形成固體外殼的時問由 0.1s延長到0.7s左右。這將使?；虝r間延長到2.5s。過熱度大的液態(tài)金屬在水?；尚螘r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影響合金的熔點和過熱程度。一般來說，含碳高的金屬熔體的熔點較高，比較容易過熱。低碳合金成塊澆注通常得到粒度大、強度高的金屬餅。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、強度變差。

血液凝固過程可分為3個基本步驟：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，由FⅫ啟動，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，進而激活FX為FXa，在FXa形成后，內(nèi)源性和外源性凝血進入相同的途徑。

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，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、同時進行的。機體發(fā)生的血液凝固過程是一個正反饋，雖然復(fù)雜，一旦開始，將會迅速連續(xù)進行，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

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)臺氧化物。在凝固過程中，首先析出的是高熔點的復(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，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，首先析出的復(fù)合化合物是鈣長石或橄欖石。控制爐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，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粒化爐渣經(jīng)磨細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。

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)金屬在凝固時運動造成鐵合金錠內(nèi)部各點成分的宏觀差異。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。

通過實驗探究知道物質(zhì)的固態(tài)和液態(tài)之間是可以轉(zhuǎn)換的；?通過實驗探究知道熔化、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