金屬凝固原理-第四章.ppt

金屬凝固原理,主講人：邊麗萍,太原理工大學材料科學與工程學院,2012.2.20,第四章單相及多相合金的結晶,凝固過程中的質量傳輸單相合金的凝固成分過冷的產(chǎn)生界面前方過冷狀態(tài)對凝固過程的影響多相合金的凝固,4-1凝固過程中的質量傳輸,4.1.1溶質分配方程傳熱、傳質、流動影響凝固過程；擴散過程便于理解溶質再分配1.擴散第一定律溶質在擴散場中某處的擴散通量JJ:單位時間t內(nèi)通過單位面積A的溶質質量m，即J=dm/(Adt)與溶質在該處的濃度梯度（dCL/dx）成正比，Jx=-DL（dCL/dx）注：負號（-）表示溶質傳輸方向與濃度梯度方向相反。,基本概念1）穩(wěn)態(tài)擴散擴散系統(tǒng)中，任一體積元在任一時刻、流入的物質量與流出的物質量相等，即任一點的濃度不隨時間變化。（C/t=0）2）非穩(wěn)態(tài)擴散任一點的濃度隨時間而變化（C/t0）,2.擴散第二定律對于一維擴散的濃度分布，x=0，擴散源位置；C=Cmax；x，C=C0，平均濃度當xx+dx；擴散通量JxJx+dx，則（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（1）（2）得dCL/dt=DLd(dCL/dx)/dx=DLd2CL/dx2,“穩(wěn)定態(tài)定向凝固”溶質分配特征方程式條件：1）擴散源穩(wěn)定（相變時溶質的析出速度與擴散速度處于動平衡）；2）擴散源的運動速度R與溶質的析出速度也為動態(tài)平衡。DLd2CL/dx2R（dCL/dx）=0,4.1.2凝固傳質過程的有關物理量1.擴散系數(shù)D表示物質在介質中的傳輸能力。介質阻力D傳輸能力（1）充分擴散：介質阻力0，D（凝固時液體激烈攪拌）（2）有限擴散：介質阻力0，D=Di（一般溶質擴散）2.溶質平衡分配系數(shù)k0k0=Cs*/CL*1）k01：溶質元素從L越過S/L界面擴散S，使得CSCL；,3.液相線斜率mLmLdT/dC=(TL-Tm)/CLTL=Tm+mLCL4.液相溫度梯度GLGL=dT/dxGLTLGL0，正溫度梯度；Ti0，則須：GLx0，即GLT非*（熔體中非均質生核最有效襯底大量生核所需的過冷）時，同時產(chǎn)生：1）柱狀枝晶生長；2）界面前方熔體也發(fā)生新的生核過程，且導致晶體在過冷熔體（GL0）自由生長，形成方向各異的等軸枝晶。等軸枝晶的存在阻止了柱狀晶區(qū)的單向延伸，此后結晶便是等軸晶區(qū)液體內(nèi)部推進的過程。,合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài),a)不同的成分過冷情況,b)無成分過冷平面晶,C)窄成分過冷區(qū)間胞狀晶,d)成分過冷區(qū)間較寬柱狀樹枝晶,e)寬成分過冷內(nèi)部等軸晶,就合金的宏觀結晶狀態(tài)而言，外生生長（平面生長胞狀生長柱狀枝晶生長）內(nèi)生生長（等軸枝晶）轉變；外內(nèi)轉變決定因素：成分過冷，外來質點非均質生核能力成分過冷區(qū)利于內(nèi)生生長和等軸枝晶形成。枝晶生長方向：枝晶主干、各次分枝的生長方向/特定晶向。枝晶間距：相鄰同次分枝之間的垂直距離。,4-5共晶合金的結晶,一、共晶組織的特點和共晶合金的分類1.特點：宏觀形態(tài)：共晶體的形狀與分布的形成原因同單相合金晶體類似，從平面生長胞狀生長枝晶生長；從柱狀晶（共晶群體eutecticcolony）等軸晶(共晶團eutecticcell)微觀形態(tài)：共晶體內(nèi)兩相析出物的形狀與分布。其與共晶相在結晶過程中的相互作用、結晶條件有關。固液界面結構在很大程度上決定著其微觀形態(tài)的基本特征。,2.共晶合金分類,根據(jù)界面結構不同，分為：（1）非小面非小面共晶合金：兩相均為非小面生長的粗糙界面；金屬金屬，金屬金屬間化合物；eg.Pb-Sn，Ag-Cu層片狀共晶；Al-Al3Ni棒狀共晶（2）非小面小面共晶合金：一相為非小面生長的粗糙界面，另一相為小面生長的平整界面；金屬非金屬，金屬亞金屬。Eg.Fe-C,Al-Si共晶；（3）小面小面：非金屬非金屬;琥珀睛-茨醇共晶。,二、共晶合金的結晶方式,（1）共生生長（Most合金）1）特征：結晶時，后析出相依附于領先相表面析出形成具有兩相共同生長界面的雙相核心溶質原子在界面前沿兩相間的橫向擴散，互相不斷為相鄰的另一相提供生長所需的組元彼此合作、一起向前生長。2）分類：球團形輻射狀結構（共晶團）：領先相獨立生核、自由生長；扇形半輻射狀結構：領先相屬于初生相的一部分；共晶群體的柱狀共晶體組織：約束生長條件下（單向結晶）,（2）離異生長,在共晶轉變中也存在著合金液不能進入共生區(qū)的情況：共晶兩相沒有共同的生長界面，它們各自以不同的速度獨立生長，即兩相的析出在時間上和空間上都是彼此分離的，因而形成的組織沒有共生共晶的特征。這種非共生生長的共晶結晶方式稱為離異生長，所形成的組織稱離異共晶。離異共晶分“晶間偏析型”和“暈圈型”兩種類型。,1）當一相大量析出，而另一相尚未開始結晶時，將形成晶間偏析型離異共晶。,2）由另一相的生核困難所引起：合金偏離共晶成分，初晶相長得較大，如另一相不能以初生相為襯底而生核，或因液體過冷傾向大使該相析出受阻時，初生相就繼續(xù)長大而把另一相留在枝晶間。,“晶間偏析型”離異共晶,“暈圈型”離異共晶形成,兩相性質差別較大的非小平面小平面共晶合金中能更經(jīng)常地見到這種暈圈組織。由于兩相在生核能力和生長速度上的差別，第二相環(huán)繞著領先相表面生長而形成一種鑲邊外圍層的情況，此外圍層稱為“暈圈”。