材料科学基础下中文三章

材料科学基础（II）第3章凝固和结晶-III材料科学基础（II）§5.共晶凝固1.形貌正常共晶结构(a<2)

层片状或杆状,通常在金属系统中非典型(不规则)(a>2)

多种结构,通常有光滑界面DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）杆状共晶Al6Fe中Al组织中的杆,Al-6wt%Fe亚共晶白口铸铁（X200）亚共晶白口铸铁（X500）层片状共晶结构,Al-CuAl2

From:PorterandEasterling1992材料科学基础（II）材料科学基础（II）共晶微观结构Bi-SnMg2Sn-“汉字”Al-Cu“变质共晶”M.E.GlicksmanandAfinaLupulescu2004材料科学基础（II）Al-Si中典型的共晶微观结构:(a)Al-Si共晶中针状的Si片层(x100)(b)变质后的Al-Si共晶中圆形的Si棒(x100).DonaldR.Askeland,P.Phule2003X.Jianetal,scriptaMater.2006,54材料科学基础（II）2.形核

B

原子在a相附近的微观偏聚引起B原子的过度富集和b相的形核.

b相比a相优先长大.凝固过程是由重复形核控制吗？Tamann的多相生长简图§5.共晶凝固M.E.GlicksmanandAfinaLupulescu2004材料科学基础（II）

2.相互协作的形核与长大(366-367页)

事实:一个共晶区域中有两个单晶

概念:

共晶凝固中不是简单的长大，且没有形核.

相互协作的长大需要两相对原子的接受概率相似，且两相中的扩散要保证他们有相同的长大速率.

模型:

领先相的形核,为另一相提供位置和搭桥机制。§5.共晶凝固层片状共晶形核的搭桥机制材料科学基础（II）铅锡共晶中的共晶区X.Jianetal,scriptaMater.2006,54材料科学基础（II）灰铸铁中二维和三维的石墨§5.共晶凝固材料科学基础（II）假定:

不同的形貌有相同的l

，比较单位体积中的A,更有利于形成杆状和层片状哪种结构?单位体积中杆状面积:Ao=d/2;

Va

=d2/4

2

单位体积中层片状面积:A//=2(1/);层片状结构更有利，如果体积分数aVa>1/,

或者Ao>A//,和

d/2>2/.这表明

d>2/,ord2>4

2/2,所以Va

=d2/4

2>(4

2/2)/42=1/,i.e.Va>1/,

bad3.相对体积分数对形貌的影响(367-368页)界面面积

/体积V=x12A=2x12A/V=2/(cm-1)M.E.GlicksmanandAfinaLupulescu2004材料科学基础（II）层片状结构比杆状结构更有利,如果

是各向同性的，且

l/

<V

<1-l/

xPb=24.8%xPb=18.0%xPb=15.0%xPb=12.6%Pb-Sn合金原始成分对共晶单向凝固组织的影响§5.共晶凝固片状杆状杆状材料科学基础（II）杆状/层片状混合的微观结构Pb-Cd-0.1wt%SnM.E.GlicksmanandAfinaLupulescu2004材料科学基础（II）当DT增大时l

会怎样?

为什么?

l有极限吗?

哪种层片长得快，l大的还是l小的?材料科学基础（II）单位摩尔的界面能:

G(

)=–

G(∞)+2

Vm/

4.

由于GibbsThomson效应，过冷对层片间空隙的影响为计算储存的界面自由能，还需要增加过冷度.当

G(

)=0A/V=2/临界间隙l*的概念假定:相图中的TE对应

l=∞(506-507页)From:PorterandEasterling1992材料科学基础（II）5.最大长大速率Rmax

和相应的间距

max

在凝固前沿的狭窄区域中速率受扩散控制，和扩散R=k1J成正比假定为稳定状态且估算

C为常数应用Fick第一定律

R=k1D

C/

扩散区域§5.共晶凝固M.E.GlicksmanandAfinaLupulescu2004From:PorterandEasterling1992材料科学基础（II）

CCC0(=∞)CB

*BALT

TE=∞

*=∞

TE

-T0T0假定的液相线在G曲线上方,在TEl上方时没有意义G线猜测的l

对Dc的影响的共晶相图TElTEl*From:PorterandEasterling1992计算DC(l)材料科学基础（II）显示

C和

关系的共晶相图

初步估计速率

C=

C0(1-

*/

)移动驱动力

C

TO

Gl↓R↑l↓DC↓R↓CC0(=∞)CB=∞

*BALT

TET0

C0-

C材料科学基础（II）

5.最大速率

把

C=

C0(1-

*/

)和

C0

T0

代入R=k1D

C/,

我们得到当

max=2

*找到最大R,

Rmax=k2D

T0/4

*

由于

*

1/

T0

Rmax=k3D

T02 Rmax

1/

*2

和

Robs

1/

obs2

一致9-459-449-46共晶的比例定律!

Robs

obs2

=常数.为什么

T0

↑

l↓?因为

obs

~

max

1/

T0§5.共晶凝固材料科学基础（II）铅-锡共晶中片层间距对生长速率的影响.DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）片层间距的动力学校正lfinal<linit在相场动画中显示的.M.E.GlicksmanandAfinaLupulescu2004材料科学基础（II）片层间距的动力学校正lfinal>linitM.E.GlicksmanandAfinaLupulescu2004材料科学基础（II）片层间距的校正快慢M.E.GlicksmanandAfinaLupulescu2004材料科学基础（II）共晶有相对低的界面能,且没有分解和粗化趋势.高温下微观结构通常在层错处开始分解.仔细控制冷却方向和纯度可以降低层错密度.Sn-Pb正常共晶的热力学稳定性材料科学基础（II）

在大多数合金中,共晶片层长成弯曲的胞状，叫做“共晶区域,”因为对第三相（不纯）元素，共晶界面的成分不稳定。.

通过观察平面区域来精确描述这种共晶区域中的相的形貌很困难.共晶区域melt固体液体材料科学基础（II）6.胞状共晶凝固(a)在一个透明有机合金中的胞状共晶凝固前沿.(b)一个Al-Al6Fe杆状共晶胞状结构的横剖面图.(x3500)(b)

有第三相不纯溶质存在时形成的二相胞状形貌不稳定，继而形成有微突的共晶界面.M.E.GlicksmanandAfinaLupulescu2004From:PorterandEasterling1992(a)材料科学基础（II）钢铁制备步骤总结材料科学基础（II）§6.铸锭的凝固和控制1.三区的形成

激冷(细晶)区

柱状晶区

中心等轴晶区DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）激冷（细晶）区-在铸件表面由均匀形核形成的含有各个方向的细小晶粒的区域.柱晶区-由铸件凝固过程中各个方向竞争生长形成的有择优方向的长晶粒组成的区域.等轴晶区

-在铸件中心由大量形核产生的没有方向性的晶粒组成的区域.三区材料科学基础（II）材料科学基础（II）在胞状枝晶生长过程中，二次晶枝由于重熔而断脱From:PorterandEasterling1992材料科学基础（II）细晶区的竞争生长导致只有那些有有利取向的晶粒发展成柱状晶粒DonaldR.Askeland,P.Phule2003From:PorterandEasterling1992材料科学基础（II）铸件晶粒结构简图From:PorterandEasterling1992材料科学基础（II）来自:/jxtd/clcx/resource/kejian/chapter%202.ppt柱状晶和等轴晶结构模拟材料科学基础（II）材料科学基础（II）材料科学基础（II）§6.铸锭的凝固和控制2.铸锭结构控制晶粒大小控制:

(形核和长大控制)

增加

T,减小液体T,加速冷却 加入形核剂,

过热,

场的应用(振动/电磁搅拌机械的超声波振动其它新方法）©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.二次枝晶的枝间间距对铸造铝合金性能的影响DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）铸锭组织的晶粒(a)晶粒大 (b)晶粒小W.F.Smith1996材料科学基础（II）对流的影响振动引起的对流正常铸件旋转引起的对流Shewmon2006材料科学基础（II）超声波振动处理液态金属或凝固过程它作用于产生空位搅拌液体处理的结果细化微观结构,成分均匀化排除气体材料科学基础（II）用高强超声波振动细化A356铝合金铝中的共晶硅相,

ScriptaMaterialia54(2006)893–896(取自何迁开题报告)X.Jian,T.T.Meek,Q.Han,处理后材料科学基础（II）用磷硬化对过共晶Al-Si合金微观结构的影响:(a)粗大的一次硅

(b)由增加的磷细化的一次细硅DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）§6.铸锭的凝固和控制2.铸锭结构的控制各种缺陷及其控制偏聚:宏观(重力影响)

微观(枝晶,胞状，等等.)多孔:气泡,收缩，等等.

气孔,疏松,缩孔夹杂:炉渣,

还原产物（夹杂物）成分偏析材料科学基础（II）收缩-铸件凝固过程中的收缩.疏松

-在枝晶的枝间伴随凝固过程的收缩形成的细小的、通常孤立的孔洞.气孔

-凝固过程中由于气体在固体中的溶解度比在液体中低，由陷入的气泡形成的.词汇表材料科学基础（II）DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.(a)枝晶的枝间可能出现收缩.(b)二次枝晶的枝间可能形成更小的分布更均匀的收缩孔洞.(c)短的一次枝可以避免收缩.(d)图中显示的是铝合金的枝晶间收缩(x80)DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）内切圆法：铸件壁交接处的内切圆直径大于铸件壁厚，这些地方凝固较晚，缩孔可能在那里生成。来自:/jxtd/clcx/resource/kejian/chapter%202.ppt材料科学基础（II）由凝固过程中体积减小引起的收缩和液体和固体温度降低引起的收缩.收缩会造成孔洞固体中的收缩会引起应力©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.冒口冒口DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）在一个大块的脱氧的钢中的偏聚模式.+正极.–负极偏聚.From:PorterandEasterling1992材料科学基础（II）传统铸造技术直接凝固技术单晶叶片涡轮叶片有择优取向的柱状晶结构提高了抗高温蠕变性,单晶可以将其进一步提高DonaldR.Askeland,P.Phule2003W.F.Smith1996材料科学基础（II）(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.Pb-Sn共晶合金的定向凝固:金属在熔炉中融化,然后将模具慢慢退出熔炉，铸件被冷却.DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）连续铸造过程示意图DonaldR.Askeland,P.Phule2003From:PorterandEasterling1992材料科学基础（II）W.F.Smith1996材料科学基础（II）钢及其合金加工工程中的二次加工步骤.DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）砂型铸造

-使用沙子成型的铸造工艺.熔模铸造

-用于制造像涡轮叶片那样形状复杂的器件的铸造工艺，也称失蜡法。消失模铸造

-使用聚合物泡沫塑料做模具生产铸件的工艺。铸造的词汇表材料科学基础（II）金属型铸造

-模具能够多次使用的一种铸造工艺.压铸

-熔融金属/合金被压入模具并在模具中承受一定压力的一种铸造工艺模铸锭-一种铸锭工艺，和连续铸造方式不同连续铸造-

把熔融的金属/合金加工成半凝固态的产品如平板的一种工艺词汇表材料科学基础（II）©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.四种典型的铸造工艺:(a)和(b)是环保的砂型铸造,在这个工艺中用粘土粘合和沙子被挤压成一定形状，沙子中心可能在铸件中产生内部孔洞.(c)金属型铸造，在这个工艺中金属溶液被倒进一个铁的或者钢的模具中.(d)压铸,在这个工艺中金属液被高压注射进一个钢的模具中.(e)熔模铸造,在这个过程中一个陶瓷外壳包着一个蜡质内芯，蜡质内芯融化并排除后液态金属注入模具熔模铸造DonaldR.Askeland,P.Phule2003材料科学基础（II）带状或者线状金属非晶金属可以通过旋转熔融得到.快速凝固工艺processing–通过促进凝固过程中的高速冷却来生产特殊材料结构.MichaelF.AshbyandDavidR.H.Jones,1998块状非晶金属现在也成为可能，通常具有与共晶成分接近的化学成分材料科学基础（II）本周四课1：30到（通知未来的同学）内容：铝合金浇注，回复再结晶长衣裤，旅游鞋（防止烫伤）下周2，3，同样着装谢谢意见和建议（谢谢课代表，我留下？）有问题请参加下周一答疑,隔周？每周？材料科学基础（II）第一章相图

§1-6.二元相图的基本结构

§2-6.相图的实验测定

§3-5.相图热力学

§4-5.二元系统

§5-5.二元相图的计算

§6-5.相律和构建二元相图的的定律

§7-6.二元相图的应用

§8-6.三元相图 实验I.二元和三元合金中的微观结构 实验II.Fe-C合金的微观结构材料科学基础（II）概论§1.引论§2.界面的分类§3.界面结构和新貌模型§4.界面能§5.平衡态时的边界偏聚§6.第二相粒子的平衡形态§7.界面迁移§8.界面能的测定(自学)§9.总结(自学)材料科学基础（II）§1.引论能量界面结构微观结构宏观性能迁移偏聚第二章界面第一章相图第四章回复和再结晶第五章固态相变第三章凝固和结晶材料科学基础（II）第三章.凝固和结晶§1.引论§2.纯固体的结晶§3.单相固溶合金的长大§4.组织过冷§5.共晶凝固1. 分类2. 形核3. 相对体积分数的影响4. 过冷度对片层间距的影响5. 其它元素的影响§6.铸锭的凝固和控制§7.凝固技术本周四课1：30到（通知未来的同学）铝合金浇注，回复再结晶长衣裤，旅游鞋（防止烫伤）下周2，3，同样着装有问题请参加下周一答疑材料科学基础（II）冷却一个普通的冰块的步骤可以从H2O+空气体系的相图中推断出来.冰清洁机器的两种主要形式(a)冰在一系列冷的铝棒的外面生长.(b)冰块在铝盘中生长，当它们足够大时，通过切断冷却机组和电加热铝使得冰的表面融化，脱离金属从而移走冰块.MichaelF.AshbyandDavidR.H.Jones,1998材料科学基础（II）一张光学显微照片，显示了在焊点焊弧消失后，由于生长速率向中心焊点处增加(从底部到顶部)，枝晶形貌从胞状到枝晶的变化..A.David,S.S.Babu,andJ.M.Vitek,JOM,2003材料科学基础（II）