[科普中国]-凝固温度

凝固温度是指某种物质从液相变为固相时的温度临界值。

定义凝固：物质从液相变为固相的相变过程。
在一定压强下，液态的晶体物质，其温度略微低于熔点时，微粒便将规则地排列成为稳定的结构。开始是少数微粒按一定的规律排列起来，形成所谓的晶核，而后围绕这些晶核成长为一个个晶粒。因此，凝固过程就是产生晶核和晶核生长的过程，而且这两种过程是同时进行的。1

具体解释物质从液相变为固相的相变过程。
在一定压强下，液态的晶体物质，其温度略微低于熔点时，微粒便将规则地排列成为稳定的结构。开始是少数微粒按一定的规律排列起来，形成所谓的晶核，而后围绕这些晶核成长为一个个晶粒。因此，凝固过程就是产生晶核和晶核生长的过程，而且这两种过程是同时进行的。

凝固时的温度就是凝固点，等于熔点，不同的晶体其凝固点亦不相同。

液态晶体物质在凝固过程中放出热量（称为凝固热，其数值等于熔化热），在凝固过程中其温度保持不变，直至液体全部变为晶体为止。非晶体的液态物质，在凝固过程中，温度降低逐渐失去流动性，最后变为固体。在凝固过程它没有一定的凝固点，只是与某个温度范围相对应。

熔化是凝固的相反过程。2

凝固特点晶体凝固特点：

达到一定温度才开始凝固；

凝固时温度保持不变；

凝固时固液并存；

凝固一定放热。

非晶体凝固特点：

凝固时温度持续下降；

凝固时放热。3

凝固点改变的因素压强平时所说的物质的熔点（凝固点，下同），通常是指一个大气压时的情况；如果压强变化，熔点也要发生变化。熔点随压强的变化有两种不同的情况。对于大多数物质，熔化过程是体积变大的过程，当压强增大时，这些物质的熔点要升高；对于像水这样的物质，与大多数物质不同，冰熔化成水的过程体积要缩小 (金属铋、锑等也是如此) ，当压强增大时冰的熔点要降低。

溶有杂质如果液体中溶有少量其他物质，或称为杂质，即使数量很少，物质的熔点（凝固点，下同）也会有很大的变化。例如水中溶有盐，熔点（固液两相共存并平衡的温度）就会明显下降，海水就是溶有盐的水，海水冬天结冰的温度比河水低，就是这个原因。饱和食盐水的熔点可下降到约-22℃。3

影响铁合金凝固的其他因素铁合金浇注和粒化时凝固的形状和大小取决于液态铁合金的物理性能，特别是表面张力、黏度、合金熔点和其氧化物的熔点。

表面张力的影响表面张力起着减少液体表面的作用。纯铁的表面功大约为1.8N/m解在铁水中的碳、锰和硅等元素使得该值降低。含4%碳与少量的锰和硅形成的熔体表面张力约为1.5N/m。硫和氧对铁的表面张力有着极大的影响。含硫量小到0.06%，铁基熔体的表面张力为0.9N/m炉料级铬铁和高碳锰铁表面张力为1.1～1.3N/m面张力直接影响成团块浇注机中产生的扁平铁饼的厚度。

铁饼的厚度与液态金属的表面张力、液态金属比重有关。在低碳铬铁或低碳钢的铁饼厚度为10mm左右，而表面张力较低的锰铁铁饼厚度为4～5mm。黏度是另一个重要的参数，黏度高的金属熔体即使其表面张力较低也能粒化成厚的铁饼。

在金属液球的冷却过程中，球体各部位温差较大，表面张力有所不同。如果冷区的表面张力小于热区的表面张力，冷区的金属就会被热区的金属拉到热区附近。反之，热区的表面张力小于冷区的表面张力，热区的金属就会被冷区的金属拉到冷区附近，露出新的液态金属表面。

由此可以推出：液体表面张力随温度升高而增大，那么铁的表面呈现光滑；表面张力随温度降低而减少，铁会形成有皱纹的表面。许多金属的表面张力与温度并非呈现线形变化。当金属过热度太大时，粒化铁饼通常是不光滑的。在实际生产中可以看到：粒化镍铁的表面是光滑的，而粒化铬铁的表面呈现许多皱纹。

黏度的影响液态金属的黏度对铁合金成形有一定影响。金属液流在水流的冲击下发生变形。液球的重力和表面张力将其拉成饼干状。黏度高的液体有较高的抵抗变形的能力，铁饼厚度较高。

熔体温度的影响铁合金的浇注温度由1600℃提高到1700℃时形成固体外壳的时问由 0.1s延长到0.7s左右。这将使粒化凝固时间延长到2.5s。过热度大的液态金属在水粒化成形时得到的粒度较小。

化学成分的影响碳、硅等元素在合金中的含量会影响合金的熔点和过热程度。一般来说，含碳高的金属熔体的熔点较高，比较容易过热。低碳合金成块浇注通常得到粒度大、强度高的金属饼。为了得到较大块度的高碳合金易采用低温浇注。

铁合金中的气体含量对铁的表面形状影响很大。中低碳铬铁中溶解的气体在凝固时从铁水中析出，导致合金气孔较多。经过真空处理或盖渣浇注的铬铁则几乎没有气孔，会属锰中溶解的气体含量比较高，导致其结构比较疏松、强度变差。2

凝固过程的偏析现象由于元素或化合物在液相和固相中溶解度的差异，铁合金在凝固过程中会出现成分偏析。在结晶过程中几乎所有的杂质元素都会在平衡过程中重新在液相或固相中分配。杂质分布也取决于结晶过程的完成状况和结晶达到的平衡程度。按成分分类偏析基本可以分为五类：

（1）主要元素的偏析，如硅、铁、锰等；

（2）在主元素相中溶解度小的或不溶解的元素，如硅、铝、钙等；

（3）碳的偏析；

（4）夹杂物偏析，如氧化物、炉渣以及内生夹杂氮化物、硫化物、磷化物等；

（5）气体在合金中的偏析等。

铁合金偏析的类型大体分为宏观偏析与显微偏析。宏观偏析主要是由于液态金属在凝固时运动造成铁合金锭内部各点成分的宏观差异。显微偏析主要是结晶引起的晶界偏析等。一般来说，宏观分析将直接影响铁合金的使用，需要尽量加以避免。2

本词条内容贡献者为:

江长胜 - 教授、博导 - 西南大学