东大金属凝固原理第五章PPT课件

.,1,第五章多相合金的凝固5-1共晶概述5-2金属-金属共晶的凝固5-3金属非金属共晶的凝固5-4偏晶合金的凝固5-包晶合金的凝固,.,2,5-1共晶概述由于化学成分和凝固条件不同，共晶合金可以形成各种各样的组织形态。层片状（棒状、条状、纤维状）；球状；针状；螺旋状。,.,3,共晶的基本类型,a)b)规则共晶c)d)非规则共晶,.,4,共晶两相及固液界面形貌,.,5,片状共晶,.,6,树枝状共晶,.,7,棒状共晶,.,8,对于合金，可以分成规则共晶：层片状、棒状。非规则共晶:小平面-非小平面共晶1.金属-金属共晶凝固时S-L界面为粗糙界面（非小平面），结晶面不是特定的晶向，决定长大的因素是热流方向、两组元在液相中的扩散。共晶生长时，两相并排结晶出来，并垂直于S-L界面进行协同生长。S-L界面近似保持平面状，金属-金属共晶为规则共晶。,.,9,金属合金的固-液界面形貌,.,10,2.金属-非金属共晶,金属以非小平面长大，非金属以小平面长大。小平面晶体长大的各向异性很强，其S-L界面为特定的晶面。因此，S-L界面为非平面的，且及不规则。金属-非金属共晶为不规则共晶，组织形态为片状与丝状。决定S-L界面为粗糙或光滑界面是依据组元的熔化熵，entropyofsolution熔化熵大于23J/（mol.k)为小平面相，熔化熵小于23J/（mol.k)为非小平面相。,.,11,体积分数与溶化熵对共晶形貌的影响,.,12,共晶组织形态的影响因素,规则共晶（非小平面相-非小平面相），多由金属和金属相，金属-金属间化合物相组成，形态为层片状、棒状。共晶组织形貌主要与溶解熵和共晶中体积百分数有关。某一相的体积百分数小于1/时，容易出现棒状组织，因为相间距一定时，棒状的相间界面面积比层片状小，其界面能低，容易形成。非规则共晶（非小平面-小平面相），多由金属和非金属相组成，在溶解熵大于23J/（mol.k)的非规则共晶中，小平面相体积分数f10为破断的层片状，（图53中C区）；小平面相体积分数f在10-20（D区）共晶组织为不规则片状。f在2035（E区）时，共晶组织为复杂的规则结构，是由很多胞晶组成，如图57.f40（F区）时，共晶组织为准规则结构，是由板片状或少量的棒状组成，如图58.,.,13,f10,.,14,f在2035,.,15,共晶规则结构,f40,.,16,非平衡状态下的共晶共生区,从相图可知，在平衡条件下，共晶反应只发生在一个固定成分的合金下，任何偏离这一成分的合金凝固后都不能获得100的共晶组织。从热力学观点看，在非平衡凝固条件下，具有共晶型的合金，当快冷到两条液相线的延长线所包括的范围时，即使是非共晶成分的合金，也可以获得100的伪共晶组织，如图510所示。图中的影线部分即为共晶共生区，共生区规定了共晶稳定生长的温度和成分范围，超过这个范围，组织上将变为亚共晶或过共晶。,.,17,5-2金属-金属共晶的凝固,一、层状共晶生长在非方向性凝固的情况下，共晶体以球形方式长大。球形结构由两相的层片构成，向外散射状。球的中心有一个核心，为两相中的一相，称领先相，熔点较高的相，起结晶核心作用。,.,18,.共晶生长方式,核心形成后，在核心附近形成相，依靠搭桥的方式，使同类相的层片增殖，由一个晶核长出整个共晶团。,.,19,2.共晶的稳定态长大及固液界面曲率,由于金属金属共晶的固液界面是非光滑的，所以其界面的向前生长不取决于结晶的性质，而取决于热流的方向。两相并排的长大方向垂直于固液界面。由于两相的层片间距很小，在长大过程中横向扩散是主要的。,.,20,共晶片层的生长与扩散,.,21,.,22,一个长大速度对应一个层片间距。片间距过小时，由于相间面积增加，使界面能增大；片间距过大时，在片层中央前沿的液体由于扩散距离较远，富集了大量的溶质原子，从而迫使这里的固液界面曲率半径出现负值，形成凹袋，并逐渐向界面的反向延伸，直到这里产生另一相为止。这样，事实上也就自动调整了片层间距。,3.共晶层片间距,.,23,.不纯物的影响,在纯的共晶合金的稳定态生长中，每个相的成长将排挤出另外一个组元，并在固液界面前沿造成溶质富集区，该富集区的厚度较窄，仅是层片厚度的数量级，它们对于横向扩散造成一定的浓度梯度，这对共晶两相的同时长大是必要的，它可以保证共晶的稳定界面是平面界面，而且并不形成“成分过冷”区。但是，如果有第三组元的纯在，而且它在共晶两相中的k0小于，则在共晶长大时两相均将第三组元排至液相中，并在界面前沿造成堆积，其堆积的厚度较宽，如果液相中的温度梯度较小，则在界面附近将出现“成分过冷”区。此时，平面的共晶界面将变为类似于单向合金凝固时的胞状结构。共晶中的胞状结构通常称为集群结构。,.,24,.,25,.,26,.单向共晶的晶体学特征,在单向凝固过程中，共晶各相有着一定的最优结晶取向，并且各相之间存在着一定的结晶学关系。这是由于共晶各相之间的界面能与界面上各相的晶体学排列有关，晶体学排列越相近，界面能越低。,.,27,二、棒状共晶生长,在金属金属共晶组织中，除层片结构外，还有棒状结构。究竟是哪种结构出现，要取决于共晶中与相间的体积比以及第三组元的存在这样两个因素。1、共晶中两相体积分数的影响在与两固相间界面张力相同的情况下，如果共晶中的一相体积含量相对与另一相低时，倾向于形成棒状共晶；当两相体积含量相接近时，倾向于形成片状共晶。确切说，如果一相的体积分数小于1/时，该相将以棒状结构出现，如果体积分数在1/1/2之间时，两相均以片状结构出现。造成这种情况的原因主要是结构的表面能的大小。,.,28,.,29,2、第三组元对共晶结构的影响,当第三组元在共晶两相中的分配系数相差较大时，其在某一相的固液界面前沿的富集将阻碍该相的长大；而另一相的固液界面前沿由于第三组元富集较少，其长大速度较快。这样，由于搭桥作用，落后的一相将被长大快的一相分隔成筛网状组织，继续发展，即成棒状组织。通常可以看到共晶晶粒内部为层片状，而在共晶晶粒交界处为棒状，其原因就在于：在共晶晶粒之间，第三组元富集的浓度较大，从而造成其在共晶两相中分配系数的差别，导致在某一相前沿出现了“成分过冷”。,.,30,5-3金属非金属共晶的凝固,一、形核与长大金属非金属共晶结晶时,其热力学和动力学原理与金属金属共晶一样，它们之间的差别是在结晶形貌上，这是由于非金属有着与金属不同的长大机构所致。金属的固液界面从原子的尺度来看是粗糙的，界面的向前推进是连续的，而且是没有方向性的。而非金属的固液界面从原子的尺度看是光滑的，其固液界面为一特定晶面，因此，其长大是有方向性的，即在某一方向上长大速度很快，而在另外的方向上则长大速度很慢。因此，金属非金属共晶的固液界面的结晶形貌不是平直的，而是参差不齐、多角形的。,.,31,金属非金属共晶的形核与金属金属共晶相似，即在共晶温度以下，领先相独立地在液相中长大，之后第二相依附于领先相形核，一旦两固相同时存在时，共晶的两相即按共同“合作”的方式同时进行长大。在通常的铸造条件下，它们和金属金属共晶一样，一个共晶晶粒的外形是一个球形，这种共晶球体亦称共晶团胞。在共晶团胞的内部，两相不是层片或棒状结构，而是相互连接在一起的排列非常紊乱的分枝。,.,32,.,33,a)金属非金属共晶合作长大模型b）金属非金属共晶重新形核长大模型,.,34,实验证明金属非金属共晶是按合作长大模型进行长大的。合作长大模型的关键在于共晶中的非金属晶体在长大过程中是不断进行分枝以改变其长大的方向。,.,35,5-4偏晶合金的凝固,一、偏晶合金大体积的凝固,.,36,二、偏晶合金的单向凝固,.,37,界面张力之间三种不同的情况1.当时，a相和L2并排地长大，a相生长时将B原子排出，L2生长时将B原子吸收，当达到共晶温度时，L2转变为共晶组织，只是共晶组织中的a相与偏晶反应产生的a相合并在一起。凝固后的最终组织为在a相的基底上分布着棒状或纤维的相。2.当时，液相L2不能在a相上形核，只能孤立地在液相L1中形核。3.当时，此时00，a相和L2完全湿，在a相上完全覆盖一层L2，使稳定态生长成为不可能，a相只能断续地在L1L2界面上形成，其最终组织将是a相和相的交替分层组织。,.,38,5-包晶合金的凝固