材料科学基础：第七章 二元系相图及其合金的凝固3

1、7.4 二元合金的凝固理论液态金属凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外，由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶液中发生重新分布，这对合金方式和晶体的生长形态产生很大的影响，会引起微观偏析或宏观偏析。 微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象。 宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区域范围内，由于结晶 先后不同而出现的成分差异。 固溶体的凝固理论 共晶凝固理论 合金铸锭(件)的组织与缺陷 7.4.1 固溶体的凝固理论 1.正常凝固 2.区域熔炼 3.有效分配系数ke 4.合金凝固中的成分过冷 1. 正常凝固及平衡分配系数k0A 平衡凝固（equilibrium solidification

2、）：在凝固过程中固相和液相始终保持平衡成分，即冷却时固相和液相的整体成分分别沿着固相线和液相线变化。 合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度可用溶质平衡分配系数（equilibrium distribution coefficient）k0表示。平衡分配系数为平衡凝固时固相的质量分数Ws和液相的质量分数Wl(即液固两平衡相中溶质浓度之比)，即： k0 = Ws/Wl 平衡凝固一般难实现，由于冷却时冷速过快固相和液相的整体成分不可能达到平衡成分，凝固为非平衡凝固（nonequilibrium solidification）。在非平衡条件下，已凝固的固相成分随凝固先后变化。即随凝固距离x

3、而变化。 正常凝固方程 7.10式（P295） 该式表示固相浓度随凝固距离变化规律。经正常凝固后溶质浓度的分布如图7.65。 正偏析：溶质浓度由锭表面向中心逐渐增加的不均匀分布。它是宏观偏析的一种。 2. 区域熔炼 如果合金通过由试样一端向另一端局部熔化，经过区域熔炼的固溶体合金，其溶质浓度随距离的变化与正常凝固有所不同的，其变化符合区域熔炼方程：7.11式。该式表示经一次区域熔炼后随凝固距离变化的固溶体质量浓度。 当k00时，界面稳定，无枝晶；金属非金属型 T较大，成分过冷明显，在dT/dx0很小时，就可形成枝晶 (2)含杂质的二元共晶 杂质元素的存在造成成分过冷，杂质多时，可能形成树枝晶；

4、杂质少时，可形成胞状。 (3)二元伪共晶二元伪共晶伪共晶组织（复合共晶组织）定义： 伪共晶组织成分：W=fW + fW 伪共晶组织形成条件： 液固界面前沿的液体成分接近共晶成分。 平直界面必须稳定，无枝晶出现。7.4.3 合金铸锭(件)的组织与缺陷 零件的获得途径： 铸件 铸锭开坯热轧(锻)机加工热处理机加工等工序 铸锭(件)的宏观组织及性能 铸锭(件)的缺陷 缩孔与偏析1. 铸锭(件)的宏观组织 典型宏观组织由表层至中心分为：表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶粒区。 （1）表层细晶区（激冷区chill zone）及形成原因： （2）柱状晶区形（columnar zone）及形成原因： （3）中

5、心等轴晶粒区（equiaxed crystal zone）及形成原因： 镇静钢：钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝粉进行充分脱氧 。 沸腾钢：钢液在浇注前仅用锰进行充分脱氧 ，脱氧不充分。镇静钢锭宏观组织示意图沸腾钢锭宏观组织示意图焊缝区的组织晶粒形态铸态和轧制态晶粒比较2. 铸件的性能 柱状晶优点是组织致密，柱状晶的“铸造织构”被利用。缺点是相邻垂直的柱状晶区交界面较为脆弱并常聚集易熔杂质和非金属夹杂物，在热加工时易沿这些弱面开裂。 等轴晶区无择优取向，无脆弱的界面，晶粒互相咬合，不易开裂。但致密性不如柱状晶。细小晶粒可以提高铸件的性能。 表层细晶区对性能影响不大。 3. 铸锭(件)组织的控制主要

6、控制铸锭(件)的柱状晶区和等轴晶区。 (1)铸模冷却能力大，有利于柱状晶区的发展。但铸件较小时，能抑制柱状晶体生长，促进等轴晶发展。 (2)连续浇注时，采用水冷结晶器，可使铸件全部获得细小的等轴晶粒。定向散热有利于柱状晶区的生长。 (3)熔化温度高，浇注温度高，夹杂物多，有利于柱状晶区的发展；熔化温度低，浇注温度低，有利于中心等轴晶区的发展。 4. 铸锭(件)的缺陷(1) 缩孔 集中缩孔 分散缩孔(疏松) (2) 偏析 宏观偏析(区域偏析) 显微偏析(1) 缩孔 缩孔分类：集中缩孔： 分散缩孔(疏松（porosity）) ： 缩孔类型与金属凝固方式有关： 壳状凝固使缩孔集中在冒口，铸件致密。

7、糊状凝固，使缩孔容易在枝晶间分散，形成分散缩孔，不致密。减少枝晶，可细化铸件，使铸件致密。 实际凝固方式处于上述两种方式之间。 (2) 偏 析 偏析（segregation） 偏析分类：宏观偏析（macrosegregation）(正偏析、反偏析、比重偏析) 和 显微偏析（microsegregation）(胞状偏析、枝晶偏析、晶界偏析) 宏观偏析(区域偏析) a.正偏析：k01时铸件成分外层高，内层低 c.比重偏析：铸件密度轻者上浮，重者下沉。 显微偏析 a.胞状偏析：胞状方式生长的固溶体。k01胞壁处溶质贫化。 b. 枝晶偏析：非平衡凝固枝晶生长，枝干间成分不均匀。 枝晶偏析可用扩散退火来

8、消除，扩散退火时间：t=0.467/D；T一定，D定值，减小，t 下降，快速凝固来抑制枝晶生长；热锻，热轧来破碎枝晶。一定，可以使T升高，D升高，t 下降，采用固相线下尽可能高的温度。 c.晶界偏析：晶界上富集溶质原子 影响晶界偏析的因素： 控制和减小晶界偏析的方法： 7.4.4 凝固理论的某些实际应用 一.单向凝固技术 单向凝固技术是根据凝固理论，通过控制散热方向和温度梯度，使凝固从铸件的一端开始，沿陡峭的温度梯度方向逐步进行，从而获得具有方向性的柱状晶或自生复合材料（如共晶合金等）的一种凝固技术。 单向凝固的技术关键是保持固液界面以平面状向前推进，因此，界面前方的液相必须具有很大的温度梯度

9、。这可以从两个方面采取工艺措施来实现：一是加快对已凝固固相的冷却；二是对未凝固的液相加热，使其保持较高的温度。 常用的单向凝固方法有：功率降低法，高速凝固法和液态金属冷却法等。下图1为功率降低法原理示意图，图中：1.保温盖，2.感应加热圈，3.玻璃布，4.保温层，5.石墨套，6.模壳，7.冷却结晶器。下图2为单向凝固法生产的叶片组织(a)与普通精密铸造法生产的叶片组织(b)。图1功率降低法单向凝固示意图图2 (a)功率降低法生产的叶片组织 (b)普通精铸法生产的叶片组织二.单晶体的制取 由一个晶粒组成的晶体就是单晶体。 制取单晶体的基本原理：保证液体结晶时只形成一个晶核，并由这个晶核长成一个单

10、晶体。 下图 为普通铸造叶片(a)、单向凝固生产的叶片(b)和单晶叶片(c)。单晶叶片的高温性能最好，单向凝固叶片次之。 制取单晶体的常用方法有：垂直提拉法，尖端形核法，区熔法等。 三种方法生产的飞机发动机叶片三.快速凝固技术 在常规工艺条件下金属凝固时所能达到的冷却速度一般不会超过102/s。快速凝固是指在比常规工艺过程快得多的冷却速度（例如104-109/s）下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态。 采用快速凝固技术可以制成非晶态合金材料和晶粒尺寸达到微米(m)或纳米(nm)级的超细合金材料。这些合金材料的组织结构和性能与传统的合金材料相比具有许多优点。近年来，快速凝固技术的开发应用越来越受到重视。 快速凝固的方法很多，常用的有气枪法、旋铸法、雾化法和表面熔化与自淬火法。 四.细化晶粒 根据凝固理论，细化晶粒的途径是提高形核率和抑制晶体的长大速率。为此，工艺上采取的主要措施有： 1.增大过冷度 2.变质处理 3.震动和搅拌7.5 高分子合金 高分子合金： 高分子合金的相溶性：G0；一般不能完全相溶，必出现分离相： 高分子相分离的机制：调幅分解上坡扩散； 形核和长大下坡扩散 高分子高分子体系相图：表示法和测定法 高分子合金的制备方法：