金属凝固原理-第四章.ppt

金属凝固原理,主讲人：边丽萍,太原理工大学材料科学与工程学院,2012.2.20,第四章单相及多相合金的结晶,凝固过程中的质量传输单相合金的凝固成分过冷的产生界面前方过冷状态对凝固过程的影响多相合金的凝固,4-1凝固过程中的质量传输,4.1.1溶质分配方程传热、传质、流动影响凝固过程；扩散过程便于理解溶质再分配1.扩散第一定律溶质在扩散场中某处的扩散通量JJ:单位时间t内通过单位面积A的溶质质量m，即J=dm/(Adt)与溶质在该处的浓度梯度（dCL/dx）成正比，Jx=-DL（dCL/dx）注：负号（-）表示溶质传输方向与浓度梯度方向相反。,基本概念1）稳态扩散扩散系统中，任一体积元在任一时刻、流入的物质量与流出的物质量相等，即任一点的浓度不随时间变化。（C/t=0）2）非稳态扩散任一点的浓度随时间而变化（C/t0）,2.扩散第二定律对于一维扩散的浓度分布，x=0，扩散源位置；C=Cmax；x，C=C0，平均浓度当xx+dx；扩散通量JxJx+dx，则（1）Jx-Jx+dx=（dmx-dmx+dx）/(Adt)-dJ/dx=（dmx-dmx+dx）/(Adx)dt-dJ/dx=dC/dt（2）Jx=-DL（dCL/dx）由（1）（2）得dCL/dt=DLd(dCL/dx)/dx=DLd2CL/dx2,“稳定态定向凝固”溶质分配特征方程式条件：1）扩散源稳定（相变时溶质的析出速度与扩散速度处于动平衡）；2）扩散源的运动速度R与溶质的析出速度也为动态平衡。DLd2CL/dx2R（dCL/dx）=0,4.1.2凝固传质过程的有关物理量1.扩散系数D表示物质在介质中的传输能力。介质阻力D传输能力（1）充分扩散：介质阻力0，D（凝固时液体激烈搅拌）（2）有限扩散：介质阻力0，D=Di（一般溶质扩散）2.溶质平衡分配系数k0k0=Cs*/CL*1）k01：溶质元素从L越过S/L界面扩散S，使得CSCL；,3.液相线斜率mLmLdT/dC=(TL-Tm)/CLTL=Tm+mLCL4.液相温度梯度GLGL=dT/dxGLTLGL0，正温度梯度；Ti0，则须：GLx0，即GLT非*（熔体中非均质生核最有效衬底大量生核所需的过冷）时，同时产生：1）柱状枝晶生长；2）界面前方熔体也发生新的生核过程，且导致晶体在过冷熔体（GL0）自由生长，形成方向各异的等轴枝晶。等轴枝晶的存在阻止了柱状晶区的单向延伸，此后结晶便是等轴晶区液体内部推进的过程。,合金固溶体凝固时的晶体生长形态,a)不同的成分过冷情况,b)无成分过冷平面晶,C)窄成分过冷区间胞状晶,d)成分过冷区间较宽柱状树枝晶,e)宽成分过冷内部等轴晶,就合金的宏观结晶状态而言，外生生长（平面生长胞状生长柱状枝晶生长）内生生长（等轴枝晶）转变；外内转变决定因素：成分过冷，外来质点非均质生核能力成分过冷区利于内生生长和等轴枝晶形成。枝晶生长方向：枝晶主干、各次分枝的生长方向/特定晶向。枝晶间距：相邻同次分枝之间的垂直距离。,4-5共晶合金的结晶,一、共晶组织的特点和共晶合金的分类1.特点：宏观形态：共晶体的形状与分布的形成原因同单相合金晶体类似，从平面生长胞状生长枝晶生长；从柱状晶（共晶群体eutecticcolony）等轴晶(共晶团eutecticcell)微观形态：共晶体内两相析出物的形状与分布。其与共晶相在结晶过程中的相互作用、结晶条件有关。固液界面结构在很大程度上决定着其微观形态的基本特征。,2.共晶合金分类,根据界面结构不同，分为：（1）非小面非小面共晶合金：两相均为非小面生长的粗糙界面；金属金属，金属金属间化合物；eg.Pb-Sn，Ag-Cu层片状共晶；Al-Al3Ni棒状共晶（2）非小面小面共晶合金：一相为非小面生长的粗糙界面，另一相为小面生长的平整界面；金属非金属，金属亚金属。Eg.Fe-C,Al-Si共晶；（3）小面小面：非金属非金属;琥珀睛-茨醇共晶。,二、共晶合金的结晶方式,（1）共生生长（Most合金）1）特征：结晶时，后析出相依附于领先相表面析出形成具有两相共同生长界面的双相核心溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断为相邻的另一相提供生长所需的组元彼此合作、一起向前生长。2）分类：球团形辐射状结构（共晶团）：领先相独立生核、自由生长；扇形半辐射状结构：领先相属于初生相的一部分；共晶群体的柱状共晶体组织：约束生长条件下（单向结晶）,（2）离异生长,在共晶转变中也存在着合金液不能进入共生区的情况：共晶两相没有共同的生长界面，它们各自以不同的速度独立生长，即两相的析出在时间上和空间上都是彼此分离的，因而形成的组织没有共生共晶的特征。这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所形成的组织称离异共晶。离异共晶分“晶间偏析型”和“晕圈型”两种类型。,1）当一相大量析出，而另一相尚未开始结晶时，将形成晶间偏析型离异共晶。,2）由另一相的生核困难所引起：合金偏离共晶成分，初晶相长得较大，如另一相不能以初生相为衬底而生核，或因液体过冷倾向大使该相析出受阻时，初生相就继续长大而把另一相留在枝晶间。,“晶间偏析型”离异共晶,“晕圈型”离异共晶形成,两相性质差别较大的非小平面小平面共晶合金中能更经常地见到这种晕圈组织。由于两相在生核能力和生长速度上的差别，第二相环绕着领先相表面生长而形成一种镶边外围层的情况，此外围层称为“晕圈”。