第四节单相合金的凝固

1第四节单相合金的凝固

在凝固过程中只析出一个固相的合金。如纯铁、纯铝等许多金属。以及如Cu-Ni等充分互溶的固溶体合金等2单相合金结晶过程中的溶质再分配1.溶质再分配现象的产生

凝固过程中必然要导致界面处固－液两相成分的偏离，在整个的结晶过程，固、液两相内部将不断进行溶质元素的重新分布过程。2.平衡分配系数与界面平衡假设决定凝固界面两侧溶质成分关系的热力学特性可用平衡分配系数k0表示，即：各个符号的意义如图所示。343.非平衡结晶时溶质的再分配在非平衡结晶过程，实际上溶质的扩散是有限的，只在凝固界面上满足局部平衡的条件。溶质原子在固相中的扩散更慢，常常可以不考虑。液相：DL=5*10-5㎝2/s数量级固相：DS=5*10-8㎝2/s数量级5

（1）固相无扩散、液相均匀混合时的溶质再分配6定积分可得：该公式就是Scheil公式7（2）固相无扩散，液相只有扩散而无对流时的溶质再分配

8（2）固相无扩散，液相只有扩散而无对流时的溶质再分配

当液相中溶质边界层达到稳定后，其浓度从固液界面（x=0）开始的分布为：在固液界面处（x=0）液相浓度为CL*=C0/K0所以:CS*=K0CL*=C0910

热过冷成分过冷成分过冷判据

成分过冷11热过冷

金属凝固过程中界面前沿的熔体实际温度低于其熔点时，熔体处于过冷状态，这种过冷是简单的“热过冷”。12成分过冷

合金凝固时界面前沿的溶质富集层

对于成分为C0的合金（最常见的是k0<1,m<0），在凝固过程中，界面上满足局部平衡假设，即符合相图的规律。当k0<1，意味着凝固时必然造成固相排出溶质、在固/液界面前液相中形成一个溶质富集层。1314溶质富集层中液相线温度的变化

在溶质富集层中各个点的浓度CL是不同的，由相图可以知道，各个点的液相线温度也是不同的，满足TL＝T0＋mCL,图给出了界面前沿液相线的温度分布15成分过冷区

与此同时，在固/液界面前沿，真实的温度分布可能是这样两种情况，即：温度分布相对比较平坦（温度梯度GL小），与液相线的温度分布曲线有交点；另外一种情况，温度分布相对比较陡峭（温度梯度GL大），与液相线的温度分布曲线没有交点。16

第一种情况下在固液界面前沿存在一个区域，该区域内真实温度低于液相线温度，即发生了过冷，这种在温度更高的熔体中，由于成分分布的变化造成的过冷叫“成分过冷”17界面发生成分过冷的判据发生成分过冷时：18将：代如TL（x）

＝T0＋mCL（x）后再代人求导得成分过冷判据：更简明的判据

19

利用以上公式进一步处理推导可得成分过冷区的过冷度和宽度，分别为：20成分过冷状态对凝固

界面形态的影响

纯金属的凝固

单相合金的凝固

21纯金属的凝固

当GL>0时，纯金属晶体凝固界面前方不存在过冷，有任何伸入过热熔体中的凸起都将被熔化，凸起消失,维持平界面形式生长。22

当GL〈0时，界面前方存在大的过冷区，任何凸起将在熔体中很快地连续向前生长，从而破坏了界面的稳定性，形成树枝晶。23界面前方无成分过冷

当时，界面前方不存在成分过冷，有任何凸起必将伸入过热熔体中而被熔化，凸起消失，界面以平界面生长。

单相合金的凝固24

（a）（b）无成分过泠的平界面生长（a）粗糙界面）（b）光滑界面25界面前方成分过冷很小当刚发生时，界面前方有较小的成分过冷，界面的突起可以在很小范围内保持，界面以胞状向前推进。26

（a）

（b）

略有成分过泠时的胞状界面生长（a）纵向（b）横向27成分过冷较大

当时，界面前方存在较大的成分过冷区，界面上任何的凸起可以进一步向前、向侧面的过冷熔体中生长，因此导致以树枝晶的形式生长。28

有较强成分过泠的树枝状生长

29成分过冷很大

当时，成分过冷区的过冷度足以达到形核过冷度，内生形核和生长发生，中止了柱状晶的生长，形成等轴晶区域。30

强成分过泠的内生生长

31晶体的生长方向

平界面生长的方向与热流方向相反；胞晶生长的方向也与热流的方向相反；枝晶则按优先生长方向生长，表现出晶体学特征。32第五节共晶合金的凝固

在凝固过程中同时析出两个或两个以上的相，这个凝固过程叫共晶凝固，形成的组织叫共晶组织。33可将共晶合金分为两大类：1)非小面-非小面共晶合金共晶两相均具有非小面生长的糊糙界面如：Sn-Pb、Ag—Cu、Al—A13Cu和

A1—A13Ni合金等。2)非小面—小面共晶合金一个相的固—液界面为非小面生长的粗糙界面，另一个相则为小平面生长的光滑界面。如：Fe—C、Al—Si合金等。34典型的非小面-非小面共晶组织（纵截面）35非小面-非小面片状共晶组织（横截面）

非小面-非小面杆状共晶组织（横截面）

当时，a相成杆状，否则是片状。36

非小面-小面柱状共晶组织37非小面-小面等轴共晶组织——共晶团38共晶组织的生长机理

领先相析出后，后析出相依附于其上析出，形成具有两相共