第4章——单相及多相合金的结晶.ppt

第四章单相及多相合金的结晶 刘洪喜昆明理工大学材料科学与工程学院 主要内容 一 凝固过程溶质再分配 自学 二 合金凝固界面前沿的成分过冷三 成分过冷对合金单相固溶体结晶形态的影响四 共晶合金的凝固 第一节凝固过程溶质再分配 自学 绝对平衡凝固条件下的溶质再分配固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质再分配固相无扩散而液相有限扩散的溶质再分配液相中部分混合 有对流 的溶质再分配 一 绝对平衡凝固条件下的溶质再分配 二 固相无扩散液相混合均匀的溶质再分配 三 固相无扩散而液相有限扩散的溶质再分配 凝固过程分三个阶段凝固稳定状态阶段富集层溶质分布规律为 最初过渡区 稳定态区 最后过渡 四 液相中部分混合 有对流 的溶质再分配 液相部分混合达稳态时C S及C L值 单向凝固时铸棒内溶质的分布情况 第二节合金凝固界面前沿的成分过冷 成分过冷 条件和判据 成分过冷 的过冷度 成分过冷 由于凝固过程中存在溶质再分配而引起固液界面前沿的溶质富集 导致界面前沿平衡温度发生变化而引起的过冷 会影响凝固界面的宏观形貌 一 成分过冷 条件和判据 工艺因素 材料因素 材料因素 工艺因素 材料因素 材料因素 材料因素 二 成分过冷 的过冷度 成分过冷 的过冷度大小对于液固界面前沿的凝固方式有很大影响 为此需掌握过冷度的计算 以液相只有扩散的情况为例 成分过冷 区的最大过冷度 成分过冷 出现的区域宽度 成分过冷 的最大过冷度及 成分过冷 的区域宽度是描述 成分过冷 程度的两个指标 第三节成分过冷对单相固溶体结晶形态影响 热过冷及其对纯金属液固界面形态的影响成分过冷对合金固溶体形貌的影响规律窄成分过冷作用下的胞状组织的形成及其形貌较宽成分过冷作用下的枝晶生长自由树枝晶的生长及枝晶间距 一 热过冷及其对纯金属液 固界面形态的影响 出现负温度梯度是由于液相本来在内部具有较大过冷度 在界面向前推移结晶时发出潜热 使界面处温度升高而导致负温度梯度 二 成分过冷 对合金固溶体晶体形貌的影响 凝固界面形态分为 平界面 胞状界面 树枝界面和柱状界面 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 成分过冷 在远离界面处大于异质形核所需过冷度时 在内部熔体中就产生新的晶核 造成 内生生长 使得自由树枝晶在固液界面前方的熔体中出现 三 窄成分过冷作用下胞状组织的形成及形貌 胞状界面的成分过冷区的宽度约在0 0l 0 1cm之间 随着成分过冷的增大 界面形态呈现如下的变化过程 胞状晶往往不是彼此分离的晶粒 在一个晶粒的界面上可形成许多胞状晶 这些胞状晶源于一个晶粒 胞状晶可认为是一种亚结构 四 较宽成分过冷作用下的枝晶生长 随界面前成分过冷区逐渐加宽 胞晶凸起伸向熔体更远处 胞状晶开始向择优方向生长 胞状晶的横断面出现凸缘 短小的锯齿状 二次枝晶 胞状树枝晶 在成分过冷区足够大时 二次枝晶上长出 三次枝晶 胞状晶生长方向垂直于固 液界面 与热流相反与晶体学取向无关 柱状树枝晶的生长 五 等轴晶的形成与内生生长 当固液界面前方成分过冷的最大值Tmax大于熔体中非均质生核最有效衬底大量生核所需的过冷度 T异 在柱状树枝晶由外向内生长的同时 界面前方这部分熔体将发生大量生核 导致许多独立的晶体在过冷熔体中的自由生长 形成方向各异 各生长方向尺度相近的等轴树枝晶 即等轴晶 又称自由树枝晶 八面体微晶发展为树枝晶干的过程 不等轴自由树枝晶 两维 生长过程的数值模拟 纯镍等轴树枝晶长大过程的数值模拟 外生生长 与 内生生长 的概念 外生生长 晶体自型壁生核 然后由外向内单向延伸的生长方式 称为 外生生长 平面生长 胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长 内生生长 等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为 内生生长 成分过冷区的进一步加大促使外生生长向内生生长的转变 这个转变是由成分过冷的大小和外来质点非均质形核能力这两个因素决定的 大成分过冷和强生核能力质点利于内生生长 六 枝晶间距 1 枝晶间距的含义及与材料性能的关系 枝晶间距 指相邻同次枝晶间的垂直距离 枝晶间距是树枝晶组织细化程度的表征 实际中 枝晶间距采用金相法测得统计平均值 通常采用的有一次枝晶 柱状晶主干 间距d1 和二次分枝间距d2两种 d1是胞状晶和柱状树枝晶的重要参数 d2对柱状树枝晶和等轴晶有重要意义 2 枝晶间距的预测 一次臂间距d1的表达式 冈本平HuntJ D R与GL的乘积相当于冷却速度 oC sec 冷却速度大 二次臂枝晶间距d2越小 微量变质元素 如稀土 影响合金CL k0 SL 也可使二次臂枝晶间距d2减小 第四节共晶合金的凝固 共晶组织的分类及特点非平衡状态下的共晶共生区离异生长及离异共晶非小晶面 非小晶面共生共晶的形成 了解 非小晶面 小晶面共晶合金的结晶 了解 规则共晶 金属 金属 如 Pb Sn Ag Cu层片状共晶 金属 金属间化合物 如 Al Al3Ni棒状共晶 非规则共晶 金属 非金属 如 Fe C Al Si共晶 非金属 非金属 如 琥珀睛 茨醇共晶 粗糙 粗糙界面 非小晶面 非小晶面 粗糙 光滑界面 非小晶面 小晶面 光滑 光滑界面 小晶面 小晶面 一 共晶组织的分类及特点 粗糙 粗糙界面 非小晶面 非小晶面 共晶 金属 金属共晶及金属 金属间化合物共晶多为第 类共晶 其典型的显微形态是有规则的层片状 或其中有一相为棒状或纤维状 因此称为 规则共晶 规则共晶长大时 两相彼此紧密相连 相互依赖生长 两相前方的液体区域中存在溶质的运动 这种长大方式称之为 共生生长 对于非共晶成分的合金 在共晶反应前初生相呈树枝状长大 所得组织由初晶及共晶体组成 2 0 Al Al3Ni棒状共晶 上 纵截面 下 横截面 Pb Sn层片状共晶 粗糙 光滑界面 非小晶面 小晶面 共晶 金属 非金属共晶属于第 类共晶体 长大过程往往仍是相互偶合的 共生 长大 但由于小晶面相 非金属相 晶体长大具有强烈的方向性 且对凝固条件 如杂质或变质元素 十分敏感 容易发生弯曲和分枝而占优势 所得到的组织较为无规则 属于 不规则共晶 Al Si共晶合金组织长大过程的数值模拟 光滑 光滑界面 小晶面 小晶面 共晶 非金属 非金属属于第 类共晶体 长大过程不再是偶合的 所得到的组织为两相的不规则混合物 也属于 不规则共晶 两相非偶合生长形成不规则共晶规则共晶体a 琥珀睛 茨醇共晶 b 偶氮苯 苯偶酰共晶 c 四溴化碳 六氯乙烷 二 非平衡状态下的共晶共生区 非平衡凝固过程 由于共晶生长动力学因素的影响 共晶组织有以下三种情况 1 共晶成分的合金 在冷速较快时 不一定能得到100 的共晶组织 而是得到亚共晶或过共晶 2 有些非共晶成分的合金在冷速较快时可在TE以下得到100 的共晶组织 伪共晶 该区域称之为共生区 共生生长 3 有些非共晶成分的合金 在一定冷速下 既不出现100 的共晶组织 也不出现初晶 共晶的情况 而是出现 离异共晶 对称型共生区 两个组元熔点相近 两条液相线基本对称 两相长大速度基本相同的非小晶面 非小晶面合金 容易形成对称型共生区 在非共晶温度下 由于两相都具有过冷度 它们可以同时结晶出来耦合生长成为共晶组织 这样的共晶组织不是共晶成分 称之为 伪共晶 两条液相线的延长线所包围的区域称为 伪共晶区 非共晶成分也可以获得完全共晶的组织 非对称型共生区 由于浓度起伏和扩散原因 低熔点相较高熔点相更易于析出 并且其生长速度也更快 因此结晶时往往容易出现低熔点组元一侧的初生相 为满足共生生长所需的基本条件 就需要合金液在含有更多高熔点组元成分的条件下进行共晶转变 因而其共生区便偏向于高熔点组元的一侧 三 离异生长及离异共晶 离异生长与离异共晶的概念 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 晶间偏析型 离异共晶 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形成原因有两种 一是系统本身 二是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 晕圈型 离异共晶形成 两相性质差别较大的非小晶面 小晶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 领先相是高熔点的非金属相 封闭型圈晕 如果领先相的固 液界面全部是慢生长面 会被快速生长的第二相晕圈所封闭 则两相与熔体之间就没有共同的生长界面 而只有形成晕圈的第二相与熔体相接触 所以原先的领先相只能依靠原子通过晕圈的扩散进行 最后形成领先相呈球团状结构的离异共晶组织 球墨铸铁的共晶转变是其典例 如果领先相的固 液界