金属凝固原理-第四章

1、金属凝固原理金属凝固原理-第四章第四章 单相及多相合金的结晶 凝固过程中的质量传输凝固过程中的质量传输 单相合金的凝固单相合金的凝固 成分过冷的产生成分过冷的产生 界面前方过冷状态对凝固过程的影响界面前方过冷状态对凝固过程的影响 多相合金的凝固多相合金的凝固金属凝固原理-第四章4-1 凝固过程中的质量传输4.1.1 溶质分配方程溶质分配方程 传热、传质、流动传热、传质、流动影响凝固过程；扩散过程影响凝固过程；扩散过程便于理解溶质再分便于理解溶质再分配配1. 扩散第一定律扩散第一定律 溶质在扩散场中某处的溶质在扩散场中某处的扩散通量扩散通量J J:单位时间单位时间t内内通过单位面积通过单位面积A

2、的溶质质量的溶质质量m，即，即J=dm/(Adt)与溶与溶质在该处的质在该处的浓度梯度浓度梯度（dCL/dx）成）成正比正比， Jx=-DL（dCL/dx） 注：负号（注：负号（-）表示溶质传输方向与浓度梯度方向相反。）表示溶质传输方向与浓度梯度方向相反。金属凝固原理-第四章基本概念基本概念1）稳态扩散）稳态扩散 扩散系统中，任一体积元在任一时刻、扩散系统中，任一体积元在任一时刻、流入的物流入的物质量与流出的物质量相等质量与流出的物质量相等，即任一点的浓度不随，即任一点的浓度不随时间变化。（时间变化。（C/ t=0） 2）非稳态扩散）非稳态扩散 任一点的浓度随时间而变化（任一点的浓度随时间而变

3、化（C/ t0）金属凝固原理-第四章2. 扩散第二定律扩散第二定律对于一维扩散的浓度分布，对于一维扩散的浓度分布，x=0 ，扩散源位置；，扩散源位置；C=Cmax；x，C=C0，平均浓度，平均浓度当当xx+dx；扩散通量；扩散通量JxJx+dx，则，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（由（1）（）（2）得）得 dCL/dt=DLd(dCL/dx)/dx=DLd2CL/dx2金属凝固原理-第四章 “稳定态稳定态定向凝固定向凝固”溶质分配特征方

4、程式溶质分配特征方程式 条件：条件：1）扩散源稳定（相变时）扩散源稳定（相变时溶质的析出速度与扩溶质的析出速度与扩 散速度散速度处于动平衡）；处于动平衡）；2）扩散源的运动速度）扩散源的运动速度R与溶质的析出速度也与溶质的析出速度也 为动态平衡。为动态平衡。 DLd2CL/dx2R（dCL/dx）=0金属凝固原理-第四章4.1.2 凝固传质过程的有关物理量凝固传质过程的有关物理量1. 扩散系数扩散系数D表示物质在介质中的传输能力。表示物质在介质中的传输能力。介质阻力介质阻力 D 传输能力传输能力 （1）充分扩散：）充分扩散：介质阻力介质阻力0，D （凝固时液体激烈搅拌）（凝固时液体激烈搅拌）（

5、2）有限扩散：）有限扩散：介质阻力介质阻力0，D=Di （一般溶质扩散）（一般溶质扩散）2. 溶质平衡分配系数溶质平衡分配系数k0k0=Cs*/CL* 1）k01：溶质元素从：溶质元素从L越过越过S/L界面扩散界面扩散S，使，使得得 CSCL；金属凝固原理-第四章3. 液相线斜率液相线斜率mL mLdT/dC=(TL-Tm)/CL TL=Tm+ mL CL4. 液相温度梯度液相温度梯度GL GL=dT/dx GLTL GL0，正温度梯度；，正温度梯度；Ti0，则须：，则须：GLx 0，即，即GL T非非* （熔体中非均质生核最有效衬底大量生核所需（熔体中非均质生核最有效衬底大量生核所需的过冷）

6、时，同时产生：的过冷）时，同时产生： 1）柱状枝晶生长柱状枝晶生长； 2）界面前方熔体也发生新的生核过程，且导致）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（晶体在过冷熔体（GL0）自由生长，形成方向各）自由生长，形成方向各异的异的等轴枝晶等轴枝晶。 等轴枝晶的存在阻止了柱状晶区的单向延伸，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此后结晶便是等轴晶区液体内部推进的过程。液体内部推进的过程。金属凝固原理-第四章a) 不同的成分过冷情况不同的成分过冷情况 b) 无成分过冷无成分过冷 平面晶平面晶C) 窄成分过冷区间窄成分过冷区间 胞状晶胞状晶 d) 成分过冷区间较宽成

7、分过冷区间较宽 柱状树枝晶柱状树枝晶 e) 宽成分过冷宽成分过冷 内部等轴晶内部等轴晶金属凝固原理-第四章 就合金的宏观结晶状态而言，就合金的宏观结晶状态而言， 外生生长（平面生长外生生长（平面生长胞状生长胞状生长柱状枝晶柱状枝晶生长）生长）内生生长（等轴枝晶）转变；内生生长（等轴枝晶）转变； 外外内转变决定因素：成分过冷内转变决定因素：成分过冷 ，外来质点非，外来质点非均质生核能力均质生核能力 成分过冷区成分过冷区 利于内生生利于内生生长和等轴枝晶形成。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枝晶生长方向：枝晶主干、各次分枝的生长方向/特定晶向。特定晶向。 枝晶间距：相

8、邻同次分枝之间的垂直距离。枝晶间距：相邻同次分枝之间的垂直距离。金属凝固原理-第四章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一、共晶组织的特点和共晶合金的分类 1. 特点：特点： 宏观形态：共晶体的形状与分布的形成原因同单宏观形态：共晶体的形状与分布的形成原因同单相合金晶体类似，从平面生长相合金晶体类似，从平面生长胞状生长胞状生长枝晶生长；从柱状晶（共晶群体枝晶生长；从柱状晶（共晶群体eutectic colony）等轴晶等轴晶(共晶团共晶团eutectic cell) 微观形态：共晶体内两相析出物的形状与分布。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

9、相互作用、结晶条件其与共晶相在结晶过程中的相互作用、结晶条件有关。固有关。固液界面结构在很大程度上决定着其微液界面结构在很大程度上决定着其微观形态的基本特征。观形态的基本特征。金属凝固原理-第四章2. 共晶合金分类 根据界面结构不同，分为：根据界面结构不同，分为：（1）非小面）非小面非小面共晶合金：非小面共晶合金： 两相均为非小面生长的粗糙界面；两相均为非小面生长的粗糙界面； 金属金属金属，金属金属间化合物；金属，金属金属间化合物； eg. Pb-Sn ，Ag-Cu层片状共晶；层片状共晶； Al-Al3Ni棒状共晶棒状共晶 （2）非小面）非小面小面共晶合金：一相为非小面共晶合金：一相为非 小面

10、生长的粗糙界面，另一相为小面生长的平整界面；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。金属非金属，金属亚金属。 Eg. Fe-C , Al-Si 共共晶；晶；（3）小面）小面小面：小面： 非金属非金属非金属非金属; 琥珀睛琥珀睛-茨醇共晶茨醇共晶 。金属凝固原理-第四章二、共晶合金的结晶方式（1）共生生长）共生生长 （Most合金）合金） 1）特征：）特征： 结晶时，后析出相依附于领先相表面析出结晶时，后析出相依附于领先相表面析出形成具有两形成具有两相共同生长界面的双相核心相共同生长界面的双相核心溶质原子在界面前沿两相溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断

11、为相邻的另一相提供生长所需的间的横向扩散，互相不断为相邻的另一相提供生长所需的组元组元彼此合作、一起向前生长。彼此合作、一起向前生长。 2）分类：）分类： 球团形辐射状结构（共晶团）：领先相独立生核、自由生球团形辐射状结构（共晶团）：领先相独立生核、自由生长；长； 扇形半辐射状结构：领先相属于初生相的一部分；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：约束生长条件下共晶群体的柱状共晶体组织：约束生长条件下 （单向结晶）（单向结晶）金属凝固原理-第四章（2）离异生长l 在共晶转变中也存在着合金液不能进入共生区的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

12、有共同的生长界面，它们各自情况：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。式称为离异生长，所形成的组织称离异共晶。l 离异共晶分离异共晶分“晶间偏析型晶间偏析型”和和“晕圈型晕圈型”两种类两种类型。型。金属凝固原理-第四章2）由另一相的生核困难所引）由另一相的生核困难所引起：合金偏离共晶成分，初起：合金偏离共晶成分，初晶相长得较大，如另一相不晶相长得较大，如另一相不能以初生相为衬底而生核，能以初生相为衬底而生核，或因液体过冷倾向大使该相或因液体过冷倾向大使该相析出受阻时，初生相就继续析出受阻时，初生相就继续长大而把另一相留在枝晶间。长大而把另一相留在枝晶间。“晶间偏析型晶间偏析型”离异共离异共晶晶金属凝固原理-第四章“晕圈型”