chapter 2材料凝固理論

1、第二章第二章 材料凝固理論材料凝固理論主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 材料凝固概述材料凝固概述凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)形核形核生長生長溶質(zhì)再分配溶質(zhì)再分配共晶合金的凝固共晶合金的凝固金屬及合金的凝固方式金屬及合金的凝固方式凝固成形的應(yīng)用凝固成形的應(yīng)用材料成形技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 材料凝固概述材料凝固概述一、凝固成形的基本問題和發(fā)展概況1、基本問題：凝固組織的形成與控制鑄造缺陷的防止與控制鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制 控制鑄件的凝固組織是凝固成形中的一個基本問題。目前已建立了許多控制組織的方法，如孕育、動態(tài)結(jié)晶、定向凝固等。第一節(jié)第一節(jié) 材料凝固概述材料凝固概述一、凝固成形的基本問題和發(fā)展概況1、

2、基本問題：凝固組織的形成與控制鑄造缺陷的防止與控制鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制 縮孔、縮松；偏析缺陷；裂紋。還有許多缺陷，如夾雜物、氣孔、冷隔等，出現(xiàn)在填充過程中，它們不僅與合金種類有關(guān)，而且，還與具體成形工藝有關(guān)。第一節(jié)第一節(jié) 材料凝固概述材料凝固概述一、凝固成形的基本問題和發(fā)展概況1、基本問題：凝固組織的形成與控制鑄造缺陷的防止與控制鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制 鑄件尺寸精度和表面粗糙度由于受到諸多因素（如鑄型尺寸精度及型腔表面粗糙度、液體金屬與鑄型表面的反應(yīng)、凝固熱應(yīng)力、凝固收縮等）的影響和制約，控制難度很大。 2、發(fā)展概況：金屬凝固理論的發(fā)展凝固技術(shù)的發(fā)展計算機(jī)的應(yīng)用 近四十年來，從傳

3、熱、傳質(zhì)和固液界面三個方面進(jìn)行研究，使金屬凝固理論有了很大的發(fā)展，例如：建立了鑄件冷卻速度和晶粒度以及晶粒度與力學(xué)性能之間的一些函數(shù)關(guān)系，為控制鑄造工藝參數(shù)和鑄件力學(xué)性能創(chuàng)造了條件。 2、發(fā)展概況：金屬凝固理論的發(fā)展凝固技術(shù)的發(fā)展計算機(jī)的應(yīng)用 典型代表就是定向凝固技術(shù)、快速凝固技術(shù)和復(fù)合材料的獲得。此外，還有半固態(tài)金屬鑄造成形技術(shù)等。 2、發(fā)展概況：金屬凝固理論的發(fā)展凝固技術(shù)的發(fā)展計算機(jī)的應(yīng)用 凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)；快速樣件制造技術(shù)；過程和設(shè)備運(yùn)行的計算機(jī)控制。二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配 大多數(shù)材料在

4、經(jīng)歷液固轉(zhuǎn)變時，其體積將縮小35，原子的平均間距減小11.7，導(dǎo)致缺陷形成的主要原因之一。二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配 材料發(fā)生液固轉(zhuǎn)變后，其外形將保持容器的形狀，這就是鑄造古老而又年輕的工藝手段。二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配 表示一個體系的紊亂程度，熵值越大，體系越紊亂。當(dāng)材料發(fā)生液固轉(zhuǎn)變時，熵值將減小，說明固體比液體的結(jié)構(gòu)更“整齊”。二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變 熵值改變

5、 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配亞共晶灰鑄鐵冷卻曲線二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配1200時液態(tài)金屬原子的狀態(tài)1500時液態(tài)金屬原子的狀態(tài)二、凝固過程中材料的物理性質(zhì) 與晶體結(jié)構(gòu)的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結(jié)構(gòu)改變 發(fā)生溶質(zhì)再分配凝固過程的溶質(zhì)再分配第二節(jié)第二節(jié) 凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)一、狀態(tài)函數(shù)的概念一、狀態(tài)函數(shù)的概念 1、熱力學(xué)函數(shù)與狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)關(guān)關(guān)只與體系所處的狀態(tài)有只與體系所處的狀態(tài)有無關(guān)無關(guān)與過程經(jīng)歷的“歷程”與過程經(jīng)歷的“歷程”有關(guān)

6、有關(guān)與過程經(jīng)歷的“歷程”與過程經(jīng)歷的“歷程”熱力學(xué)函數(shù)熱力學(xué)函數(shù),21)(VVdVVpW第二節(jié)第二節(jié) 凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)一、狀態(tài)函數(shù)的概念一、狀態(tài)函數(shù)的概念 熱力學(xué)函數(shù)與狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)關(guān)關(guān)只與體系所處的狀態(tài)有只與體系所處的狀態(tài)有無關(guān)無關(guān)與過程經(jīng)歷的“歷程”與過程經(jīng)歷的“歷程”有關(guān)有關(guān)與過程經(jīng)歷的“歷程”與過程經(jīng)歷的“歷程”熱力學(xué)函數(shù)熱力學(xué)函數(shù),21)(VVdVVpW體系的吉布斯（Gibbs）自由能熱焓，體系等壓過程中熱量的變化熱量和溫度的熵值，反映體系紊亂程度體系的體積 體系的溫度體系的壓力 等壓熱容二、狀態(tài)函數(shù)間的關(guān)系pp)TH(CTdSdHdGVdpTdSdHSdT

7、VdpdGTPCPVSHG三三、自發(fā)過程、自發(fā)過程判據(jù)一、判據(jù)一、Helmholtz自由能最低原理：自由能最低原理： 等溫等容條件下體系的自由能永不增大；自發(fā)過程的方向力圖減低體系的自由能，平衡的標(biāo)志是體系的自由能為極小。判據(jù)二、判據(jù)二、Gibbs自由能判據(jù)：自由能判據(jù)： 等溫等壓條件下，一個只做體積功的體系，其自由能永不增大；自發(fā)過程的方向是使體系自由能降低，當(dāng)自由能降到極小值時，體系達(dá)到平衡。四四、界面張力、界面張力 物體與物體接觸時都會形成分界面，分界面上原子受力不平衡，合力則指向物體內(nèi)部，使接觸面產(chǎn)生自動縮小的趨勢。液氣界面原子受力作用示意 可以這樣理解界面張力：不同物體接觸的界面如同

8、一張具有彈性的膜，該膜總是力圖使界面的面積減小。bFbF0）界面張力（mN 從能量角度：AEEWAlblFW）比表面能（2mJlFb簡單的薄膜拉伸試驗 可以這樣理解界面張力：不同物體接觸的界面如同一張具有彈性的膜，該膜總是力圖使界面的面積減小。bFbF0）界面張力（mN從能量角度：AEEWAlblFW）比表面能（2mJ固體表面的液滴及表面張力的示意根據(jù)力的平衡原理：LGLSSGLGLSSGcoscos表表現(xiàn)現(xiàn)為為不不潤潤濕濕情情況況。，表表現(xiàn)現(xiàn)為為潤潤濕濕情情況況。,900cos,90, 0cos,00LSSGLSSG又又稱稱潤潤濕濕角角。接接觸觸角角 一一、凝固的熱力學(xué)條件、凝固的熱力學(xué)條件

9、等壓條件下有：等壓條件下有：0)(STGpppTHCTdSdHdGVdpTdSdHSdTVdpdG)(TCTHTTSTHSpppp)(1)(1)(0)()(22TCTSTGppp又：又： 第三節(jié)第三節(jié) 形核形核 等壓條件下，體系自由能隨溫度升高而降低，且液態(tài)金屬自由能隨溫度降低的趨勢大于固態(tài)金屬。一、凝固的熱力學(xué)條件一、凝固的熱力學(xué)條件等壓條件下有等壓條件下有：0)(STGpppTHCTdSdHdGVdpTdSdHSdTVdpdG)(TCTHTTSTHSpppp)(1)(1)(0)()(22TCTSTGppp又又： 純金屬液、固兩相自由能隨溫度的變化 在熔點附近凝固時，熱焓和熵值隨溫度的變化可

10、忽略不計，則有：mmmmmmmmTHS:,GTTSTHG故故時，時，當(dāng)，當(dāng)0ppTHCTdSdHdGVdpTdSdHSdTVdpdG)(mmmmmTTHTTHG)1 (即過冷度即過冷度式中：式中：,TTTmm 過冷度T為金屬凝固的驅(qū)動力，過冷度越大，凝固驅(qū)動力越大；金屬不可能在TTm時凝固。二、自發(fā)形核二、自發(fā)形核 1、經(jīng)典相變動力學(xué)理論 根據(jù)經(jīng)典相變動力學(xué)理論，液相原子在凝固驅(qū)動力Gm作用下，從高自由能GL的液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杂赡蹽S的固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)過程中，必須越過一個能壘Gd，才能使凝固過程得以實現(xiàn)。 整個液相的凝固過程，就是原子在相變驅(qū)動力Gm驅(qū)使下，不斷借助能量起伏以克服能壘Gd，并通過

11、形核和長大的方式而實現(xiàn)的轉(zhuǎn)變過程。GdGLGS0原子位置aGdGm凝固過程的吉布斯自由能的變化二、自發(fā)形核二、自發(fā)形核1、經(jīng)典相變動力學(xué)理論 根據(jù)經(jīng)典相變動力學(xué)理論，液相原子在凝固驅(qū)動力Gm作用下，從高自由能GL的液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杂赡蹽S的固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)過程中，必須越過一個能壘Gd，才能使凝固過程得以實現(xiàn)。 整個液相的凝固過程，就是原子在相變驅(qū)動力Gm驅(qū)使下，不斷借助能量起伏以克服能壘Gd，并通過形核和長大的方式而實現(xiàn)的轉(zhuǎn)變過程。2、臨界形核功與臨界晶核半徑、臨界形核功與臨界晶核半徑AVGGGGLSmiv晶核表面積固、液界面張力；晶核體積；差；單位體積固、液自由能式中AVGLSm為球半徑式中當(dāng)

12、晶核為球形時：rrGrGLSm23434晶核表面積固、液界面張力；晶核體積；差；單位體積固、液自由能式中AVGLSm晶核表面積固、液界面張力；晶核體積；差；單位體積固、液自由能式中AVGLSm晶核表面積固、液界面張力；晶核體積；差；單位體積固、液自由能式中AVGLSm為球半徑式中當(dāng)晶核為球形時：rrGrGLSm23434表面自由能體積自由能晶胚晶核G*G*rr原子半徑與吉布斯自由能的關(guān)系即臨界晶核表面積式中式得：代入將得：令求導(dǎo)得：對22*LS*2m3LS*2)(16)(4A31）G( 316G084mLSLSmGrAGrGrGrGGmLS*G2r即臨界晶核表面積式中式得：代入將得：令求導(dǎo)得：

13、對22*LS*2m3LS*2)(16)(4A31）G( 316G084mLSLSmGrAGrGrGrGGmLS*G2r即臨界晶核表面積式中式得：代入將得：令求導(dǎo)得：對22*LS*2m3LS*2)(16)(4A31）G( 316G084mLSLSmGrAGrGrGrGGmLS*G2r即臨界晶核表面積式中式得：代入將得：令求導(dǎo)得：對22*LS*2m3LS*2)(16)(4A31）G( 316G084mLSLSmGrAGrGrGrGGmLS*G2r即即臨臨界界晶晶核核表表面面積積式式中中式式得得：代代入入將將得得：令令求求導(dǎo)導(dǎo)得得：對對22*LS*2m3LS*2)(16)(4A31）G( 316G0

14、84mLSLSmGrAGrGrGrGGmLS*G2r即臨界晶核表面積式中式得：代入將得：令求導(dǎo)得：對22*LS*2m3LS*2)(16)(4A31）G( 316G084mLSLSmGrAGrGrGrGGmLS*G2r即臨界晶核表面積式中式得：代入將得：令求導(dǎo)得：對22*LS*2m3LS*2)(16)(4A31）G(316G084mLSLSmGrAGrGrGrGGmLS*G2r即臨界晶核表面積式中式得：代入將得：令求導(dǎo)得：對22*LS*2m3LS*2)(16)(4A31）G(316G084mLSLSmGrAGrGrGrGGmLS*G2r 臨界形核功相當(dāng)于表面能的臨界形核功相當(dāng)于表面能的1/31/

15、3，這意，這意味著固、液之間自由能差只能供給形成味著固、液之間自由能差只能供給形成臨界晶核所需表面能的臨界晶核所需表面能的2/32/3，其余，其余1/31/3的的能量靠能量起伏來補(bǔ)足。能量靠能量起伏來補(bǔ)足。GdGLGS0原子位置aGdGm凝固過程的吉布斯自由能的變化LS31LS32三、三、 非自發(fā)形核非自發(fā)形核1、臨界晶核半徑與形核功LSCSLCLSCSLCcoscosLCLSCSrdr2A1ALSCSLCLSCSLCcoscos3coscos32)cos()sin()cos1 (2)(sin2()sin(330220221rrrdrVrrdrArA3coscos32)cos()sin()co

16、s1 (2)(sin2()sin(330220221rrrdrVrrdrArA3coscos32)cos()sin()cos1 (2)(sin2()sin(330220221rrrdrVrrdrArA3coscos32)cos()sin()cos1 (2)(sin2()sin(330220221rrrdrVrrdrArA3coscos32)cos()sin()cos1 (2)(sin2()sin(330220221rrrdrVrrdrArAivmvLCCSLSiCSLSLCGGGGVGAAAGAAA有：而：則：晶核形成后：晶核形成前：112121ivmvLCCSLSiCSLSLCGGGGVGA

17、AAGAAA有：而：則：晶核形成后：晶核形成前：112121ivmvLCCSLSiCSLSLCGGGGVGAAAGAAA有：而：則：晶核形成后：晶核形成前：112121ivmvLCCSLSiCSLSLCGGGGVGAAAGAAA有：而：則：晶核形成后：晶核形成前：112121ivmvLCCSLSiCSLSLCGGGGVGAAAGAAA有：而：則：晶核形成后：晶核形成前：112121)4coscos32()434(cos32321LSmLSCSLCrGrGAAV整整理理得得：并并利利用用代代入入上上式式，、分分別別將將)4coscos32()434(cos32321LSmLSCSLCrGrGAA

18、V整整理理得得：并并利利用用代代入入上上式式，、分分別別將將)4coscos32(3162, 0323*mLSmLSGGGrdrGd得：令)4coscos32(3162, 0323*mLSmLSGGGrdrGd得：令)4coscos32(3162, 0323*mLSmLSGGGrdrGd得：令)coscos32(41)(),(3*ffGGhohe其中形核不起作用。形核不起作用。非自發(fā)非自發(fā)時：時：當(dāng)當(dāng)即可形核。即可形核。無過冷下無過冷下時：時：當(dāng)當(dāng),180, 00*0*0hoheheGGG4coscos32)(3f式中：形核不起作用。形核不起作用。非自發(fā)非自發(fā)時：時：當(dāng)當(dāng)即可形核。即可形核。無

19、過冷下無過冷下時：時：當(dāng)當(dāng),180, 00*0*0hoheheGGG四、形核劑四、形核劑、適配度小1晶核的原子間距夾雜的原子間距晶格點陣適配度其中：NCNNCaaaaa晶核的原子間距夾雜的原子間距晶格點陣適配度其中：NCNNCaaaaa晶核的原子間距夾雜的原子間距晶格點陣適配度其中：NCNNCaaaaa晶核的原子間距夾雜的原子間距晶格點陣適配度其中：NCNNCaaaaa%100、粗糙度要大、粗糙度要大2、高溫穩(wěn)定性好、高溫穩(wěn)定性好、分散性好、分散性好43、高溫穩(wěn)定性好、高溫穩(wěn)定性好、分散性好、分散性好43意圖不同曲面襯底上形核示第四節(jié)第四節(jié) 生長生長一、固液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑

20、； 將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類LTm10nm5 . 0 粗糙界面 第四節(jié)第四節(jié) 生長生長一、固液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類m10 粗糙界面 第四節(jié)第四節(jié) 生長生長一、固液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、S

21、i）屬于此類LTm10nm5 . 0 光滑界面 第四節(jié)第四節(jié) 生長生長一、固液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類m10 光滑界面 第四節(jié)第四節(jié) 生長生長一、固液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類判據(jù)Jackson成成正正比比與與熔熔融融熵熵值值即即mmmmSSkSkTHxxxxxxNkTG)()()1ln()1

22、 (ln)1 (0成成正正比比與與熔熔融融熵熵值值即即mmmmSSkSkTHxxxxxxNkTG)()()1ln()1 (ln)1 (0成成正正比比與與熔熔融融熵熵值值即即mmmmSSkSkTHxxxxxxNkTG)()()1ln()1 (ln)1 (0玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù)界面上原子沉積幾率界面上原子沉積幾率位置數(shù)位置數(shù)界面上實際占據(jù)的原子界面上實際占據(jù)的原子位置數(shù)位置數(shù)界面上可被占據(jù)的原子界面上可被占據(jù)的原子kNNxNNAA,配位數(shù)配位數(shù)固體內(nèi)部一個原子的固體內(nèi)部一個原子的子的配位數(shù)子的配位數(shù)界面上表面層一個原界面上表面層一個原結(jié)合能結(jié)合能一個固體原子所具有的一個固體原子所具有的一個原子

23、的熔化熵值一個原子的熔化熵值變化變化固液界面相對自由能固液界面相對自由能式中：式中：0HSGmS玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù)界面上原子沉積幾率界面上原子沉積幾率位置數(shù)位置數(shù)界面上實際占據(jù)的原子界面上實際占據(jù)的原子位置數(shù)位置數(shù)界面上可被占據(jù)的原子界面上可被占據(jù)的原子kNNxNNAA,玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù)界面上原子沉積幾率界面上原子沉積幾率位置數(shù)位置數(shù)界面上實際占據(jù)的原子界面上實際占據(jù)的原子位置數(shù)位置數(shù)界面上可被占據(jù)的原子界面上可被占據(jù)的原子kNNxNNAA,配位數(shù)配位數(shù)固體內(nèi)部一個原子的固體內(nèi)部一個原子的子的配位數(shù)子的配位數(shù)界面上表面層一個原界面上表面層一個原結(jié)合能結(jié)合能一個固體原子所具有的一個

24、固體原子所具有的一個原子的熔化熵值一個原子的熔化熵值變化變化固液界面相對自由能固液界面相對自由能式中：式中：0HSGmS玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù)界面上原子沉積幾率界面上原子沉積幾率位置數(shù)位置數(shù)界面上實際占據(jù)的原子界面上實際占據(jù)的原子位置數(shù)位置數(shù)界面上可被占據(jù)的原子界面上可被占據(jù)的原子kNNxNNAA,x界界面面上上原原子子沉沉積積幾幾率率-0.5-0.50 00.50.51.01.01.51.52.02.00 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1mSNkTG0 .100 . 50 . 30 . 20 . 15 . 1不同不同 值時值時 與與 間的關(guān)系間的關(guān)系SG為粗糙界面。

25、為粗糙界面。此時的界面形態(tài)被稱之此時的界面形態(tài)被稱之其自由能最小，其自由能最小，半原子位置被沉積時，半原子位置被沉積時，是說有一是說有一被沉積時最小，也就被沉積時最小，也就有有在界面原子位置在界面原子位置時，時，）當(dāng)）當(dāng)5021SG為光滑界面。為光滑界面。界面形態(tài)被稱之界面形態(tài)被稱之自由能均最小，此時的自由能均最小，此時的這兩種情況下，這兩種情況下，的空位均被原子占據(jù)。的空位均被原子占據(jù)。，或幾乎所有，或幾乎所有很多空位未被原子占據(jù)很多空位未被原子占據(jù)面上有面上有的兩端處，這意味著界的兩端處，這意味著界和和于于接近接近的最小值在的最小值在時，時，）當(dāng)）當(dāng)1022xGS簡單立方晶體的長大過程示意

26、二、生長方式222451aaaGi：位置2222242aaaGi：位置033322aaGi：位置2222424aaaGi：位置222455aaaGi：位置旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)晶晶界界孿孿晶晶溝溝槽槽螺螺型型位位錯錯晶晶體體中中的的缺缺陷陷二二維維晶晶核核臺臺階階側(cè)側(cè)向向生生長長光光滑滑界界面面連連續(xù)續(xù)生生長長粗粗糙糙界界面面:晶體的生長方式晶體的生長方式旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)晶晶界界孿孿晶晶溝溝槽槽螺螺型型位位錯錯晶晶體體中中的的缺缺陷陷二二維維晶晶核核臺臺階階側(cè)側(cè)向向生生長長光光滑滑界界面面連連續(xù)續(xù)生生長長粗粗糙糙界界面面旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)晶晶界界孿孿晶晶溝溝槽槽螺螺型型位位錯錯晶晶體體中中的的缺缺陷陷二二維維晶晶核核臺臺階階

27、側(cè)側(cè)向向生生長長光光滑滑界界面面連連續(xù)續(xù)生生長長粗粗糙糙界界面面旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)晶晶界界孿孿晶晶溝溝槽槽螺螺型型位位錯錯晶晶體體中中的的缺缺陷陷二二維維晶晶核核臺臺階階側(cè)側(cè)向向生生長長光光滑滑界界面面連連續(xù)續(xù)生生長長粗粗糙糙界界面面kTR度度晶晶體體長長大大時時動動力力學(xué)學(xué)過過冷冷生生長長速速度度kkTTR1系系度度與與動動力力學(xué)學(xué)過過冷冷度度的的關(guān)關(guān)連連續(xù)續(xù)生生長長時時晶晶體體生生長長速速LS二二維維晶晶核核臺臺階階孕孕育育期期kTRkTbeR2的的關(guān)關(guān)系系與與時時依依靠靠二二維維晶晶核核臺臺階階生生長長kTRkTR23kTR的的關(guān)關(guān)系系與與時時依依靠靠螺螺型型位位錯錯臺臺階階生生長長kTR與動力學(xué)

28、過冷度的關(guān)系與動力學(xué)過冷度的關(guān)系不同生長方式生長速率不同生長方式生長速率三、生長速度一、溶質(zhì)再分配與平衡分配系數(shù) 溶質(zhì)平衡分配系數(shù) 為恒溫下固相溶質(zhì)濃度 與液相溶質(zhì)濃度 達(dá)到平衡時的比值，二元合金中的 可由平衡狀態(tài)圖的液相線與固相線給出，即：0kSCLC0kSLLSmmCCk0二、非平衡凝固時的溶質(zhì)再分配 假定凝固的任意時刻，固液界面處于局部平衡狀態(tài)，則有：*0LSCCk 第五節(jié)第五節(jié) 溶質(zhì)再分配溶質(zhì)再分配10LSCCk0CSCLCC固固液液凝固方向凝固方向平衡凝固條件下的溶質(zhì)分配系數(shù)平衡凝固條件下的溶質(zhì)分配系數(shù)第五節(jié)第五節(jié) 溶質(zhì)再分配溶質(zhì)再分配一、溶質(zhì)再分配與平衡分配系數(shù) 溶質(zhì)平衡分配系數(shù)

29、為恒溫下固相溶質(zhì)濃度 與液相溶質(zhì)濃度 達(dá)到平衡時的比值，二元合金中的 可由平衡狀態(tài)圖的液相線與固相線給出，即：0kSCLC0kSLLSmmCCk0二、非平衡凝固時的溶質(zhì)再分配 假定凝固的任意時刻，固液界面處于局部平衡狀態(tài)，則有：*0LSCCk C0k0C0*SC*LC凝固方向凝固方向固固液液1*0LSCCkC非平衡凝固條件下的溶質(zhì)分配系數(shù)非平衡凝固條件下的溶質(zhì)分配系數(shù)三、成份過冷判據(jù) 成分過冷：由溶質(zhì)再分配導(dǎo)致界面前沿平衡溫度發(fā)生變化而引起的過冷 合金凝固時的成分過冷a)二元平衡相圖 b)界面前沿液相溶質(zhì)富集帶c)穩(wěn)定界面d)非穩(wěn)定界面鋁合金隨成分過冷度的增加，凝固界面形態(tài)的演變過程a)平界面

30、b)痘點狀界面c)狹長胞狀界面d)不規(guī)則胞狀界面e)六角形胞晶f)樹枝晶LsLLDkkCmRG00*)1 ( 在固液界面附近，運(yùn)用Fick擴(kuò)散定律和平衡溫度梯度與液相斜率的關(guān)系，可以推導(dǎo)出成分過冷判據(jù)：四、成份過冷與晶體生長形態(tài) 凝固界面形態(tài)分為：平界面、胞狀界面、和樹枝界面 當(dāng)合金成分一致時，隨 值的減少，晶體形態(tài)由平面晶向胞狀晶向胞狀樹枝晶、柱狀樹枝和等軸樹枝晶轉(zhuǎn)變。/LGR 和 對晶體形態(tài)的影響/LGRoC“成分過冷”與固液界面形貌胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顦渲?、微觀偏析maxminRCSC偏析：金屬凝固過程中發(fā)生化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象偏析程度用偏析比來表示：微觀偏析可造成材料本身的沖擊韌性、塑

31、性繼耐腐蝕性降低有兩種情況：晶界與晶體生長方向平行，晶界出現(xiàn)凹槽，溶質(zhì)富集程度高，如圖a；兩個晶粒相對生長，相遇前將溶質(zhì)排出到剩余液相中，使最后凝固部分富含溶質(zhì)，如圖b。六、宏觀偏析 宏觀偏析通常指整個鑄錠或鑄件在大于晶粒尺度的大范圍內(nèi)產(chǎn)生的成分不均勻的現(xiàn)象1、正常偏析：對于 1的合金，外層的一定范圍內(nèi)溶質(zhì)含量分布由外向內(nèi)逐漸降低3、密度偏析：由于重力作用產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。0k0k0k第六節(jié) 共晶合金的凝固 共晶型合金分為規(guī)則共晶和非規(guī)則共晶。 規(guī)則共晶由金屬金屬組成，屬小平面共晶； 非規(guī)則共晶由金屬非金屬組成，屬非小平面小平面共晶。 不同的合金系中，共晶結(jié)晶的方式可分為共生生長和離

32、異生長兩種。 對共生生長，結(jié)晶時后析出相依附于領(lǐng)先相表面析出，形成具有兩相共生界面的雙相核心，隨后由界面前沿兩相間的橫向擴(kuò)散作用，互相為對方提供生長所需組元，以此協(xié)同生長。 這一點從共晶系平衡相圖中也可看出。a）為共晶系平衡組織相圖b）c）d)為吉布斯自由能隨溫度變化示意圖共生生長需要兩個基本條件： 兩相生長能力接近，且析出相要容易在先析出相上形核和長大。 兩組元在界面前沿的橫向傳輸要能保證兩相等速生長的需要。 由于實際凝固過程中動力學(xué)條件的限制，實際共生區(qū)與前示平衡相圖上的共生區(qū)會有一定差異。通常要小一些，或是不對稱。 對稱形 非對稱形 離異生長是指共晶合金兩相生長時，沒有共同的生長界面，兩

33、相分離并以不同生長速率而結(jié)晶。 離異共晶體可分為晶間偏析型和領(lǐng)先相呈球團(tuán)型兩類。 晶間偏析型合金成分偏離共晶點很遠(yuǎn)，初生相長得很大且很多時，發(fā)生共晶反應(yīng)，而另一相在初生相上繼續(xù)長出，最終所得組織如圖示。 領(lǐng)先相呈球團(tuán)型是由于領(lǐng)先相為熔點高的金屬，且生長界面為各向異性，此時領(lǐng)先相成球團(tuán)形態(tài)，其他相圍繞其表面生長，形成“暈圈”。 不完整暈圈的共生生長 封閉暈圈的離異生長 第七節(jié)第七節(jié) 金屬及合金的凝固方式金屬及合金的凝固方式一、凝固方式與質(zhì)量的關(guān)系： 金屬或合金在鑄型中凝固時,可以分為液相區(qū)、固相區(qū)和固液兩相區(qū)。金屬或合金凝固分區(qū)示意圖 固液兩相區(qū)較窄時，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的得逐層凝固特點；固液兩相區(qū)較寬時

34、，液相補(bǔ)縮困難，逐層凝固特征不明顯。固液兩相區(qū)寬度對液相補(bǔ)縮的影響a)固液兩相區(qū)寬度較窄b)固液兩相區(qū)寬度較寬二、凝固動態(tài)曲線與凝固方式 在凝固件橫斷面處設(shè)置溫度傳感器測定冷卻曲線，即溫度-時間曲線。據(jù)不同斷面的冷卻曲線，結(jié)合該合金的相圖，便可以繪出凝固件斷面液相線-固相線與凝固時間的關(guān)系-凝固動態(tài)曲線。 由凝固動態(tài)曲線可以看出合金在凝固件中的凝固方式。鑄件凝固動態(tài)曲線的繪制a)鑄件斷面的溫度-時間曲線b)凝固動態(tài)曲線c)某時刻的凝固狀工業(yè)純鋁鑄件斷面的凝固動態(tài)曲線a)砂型鑄造b)金屬型鑄造三、凝固方式的影響因素： 凝固方式一般由合金固液相線溫度間隔和凝固件斷面溫度梯度兩個因素決定。 凝固溫度

35、間隔大的合金傾向于糊狀凝固；反之傾向于逐層凝固SSS+LS+LLTLTST逐層凝固糊狀凝固SSS+LTLTST 第八節(jié)第八節(jié) 凝固成形的應(yīng)用凝固成形的應(yīng)用一、鑄造生產(chǎn)過程中的凝固控制1、充型能力控制充型能力：液態(tài)金屬充滿型腔，獲得形完 整、輪廓清晰鑄件的能力。影響因素：金屬金屬性質(zhì)方面、鑄型性質(zhì) 方面、澆鑄條件方面和鑄件結(jié) 構(gòu)方面。螺旋形流動性試樣結(jié)構(gòu)示意圖1-澆口杯；2-低壩；3-直澆道；4-螺旋試樣；5-高壩；6-溢流道；7-全壓井 衡量金屬或合金的流動性，常用螺旋形式樣澆鑄后得到的長度制來衡量。2、收縮控制：鑄件在冷卻過程中體積縮小的現(xiàn)象叫收縮。收縮可分成三個階段：液態(tài)收縮、凝固收縮、固

36、態(tài)收縮。液態(tài)收縮：從澆注溫度降低到凝固開始的溫度時，發(fā)生的體積收縮；凝固收縮：合金再凝固階段的體積收縮；固態(tài)收縮：固態(tài)合金因溫度降低發(fā)生的體積收縮。液態(tài)收縮、凝固收縮是引起縮孔、縮松的主要原因，而固態(tài)收縮是產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形和裂紋的主要原因。 合金的收縮量用體收縮率和線收縮率來表示，其定義為：V0，V1合金在溫度為T0，T1時的體積；l0，l1合金在溫度為T0，T1時的長度；v，l合金在T0T1溫度范圍的體膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)。%100)TT(%100VVV10V010V%100)TT(%100lll10l010l 鑄件凝固后，由于合金的收縮，在最后凝固部位會出現(xiàn)孔洞。 體積大而集中的孔洞稱為

37、縮孔； 細(xì)小而分散的空洞稱為縮松。以逐層凝固的圓柱體鑄件為例，縮孔的形成過程如圖： 生產(chǎn)中常用畫“凝固等溫線”和畫“內(nèi)切圓”的方法來近似確定縮孔位置。 其中前一種方法一般用于形狀較簡單的鑄件，而對于稍復(fù)雜的鑄件，則用后一種方法。將鑄件斷面上溫度相同的點連接而成的曲線，就是凝固等溫線。圖中涂黑的部分就是縮孔出現(xiàn)的實際位置。內(nèi)切圓法：鑄件壁交接處的內(nèi)切圓直徑大于鑄件壁厚，這些地方凝固較晚，縮孔可能在那里生成。鑄件的縮松： 縮松是鑄件以糊狀凝固方式凝固時，最后凝固的區(qū)域沒能得到液態(tài)合金的補(bǔ)充造成的分散、細(xì)小的顯微縮孔 根據(jù)分布形態(tài)，縮松分為宏觀縮松和微觀縮松兩類 宏觀縮松：指用肉眼或放大鏡可以看到的

38、細(xì)小孔洞，通常出現(xiàn)在縮孔的下方 微縮縮松：是指分布在枝晶間的微小孔洞，在顯微鏡下才能看到。 縮孔、縮松的存在都會使鑄件受力的有效截面積減小，使鑄件強(qiáng)度降低。在生產(chǎn)中應(yīng)盡量防止或減少縮孔、縮松。 可以利用冒口、冷鐵和補(bǔ)貼等工藝措施，并結(jié)合運(yùn)用順序凝固或同時凝固的工藝原則來實現(xiàn)。3 3、應(yīng)力控制、應(yīng)力控制 鑄件冷卻時因各部分冷卻速度不同，造成在同一時刻各部分的收縮量不同，彼此相互制約的結(jié)果就產(chǎn)生了應(yīng)力。按應(yīng)力形成原因分類：按應(yīng)力形成原因分類：熱應(yīng)力熱應(yīng)力 鑄件在冷卻過程中，由于各部分冷卻速度不一致，造成收縮量不一致，彼此制約的結(jié)果，所形成的應(yīng)力；相變應(yīng)力相變應(yīng)力 鑄件冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變的時間不

39、一致，體積和長度變化的時間也不一致，彼此制約，形成的應(yīng)力；機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力 鑄件冷卻收縮過程中，線收縮受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。框形鑄件熱應(yīng)力形成過程第一階段（t0t1）：在高于彈塑性轉(zhuǎn)變階段，兩桿均處于塑性狀態(tài)，瞬時的應(yīng)力均可通過塑性變形釋放；第二階段（t1t2）：冷卻較快的桿II已進(jìn)入彈性狀態(tài)，而粗桿I仍處于塑性狀態(tài)，所以桿II收縮大于桿I，細(xì)桿II受拉伸，粗桿I受壓縮，形成臨時內(nèi)應(yīng)力；第三階段（t2t3）：粗桿I溫度較高，還會有較大的收縮，細(xì)桿II溫度較低，收縮較小，所以粗桿I的收縮會受到桿II的強(qiáng)烈阻礙，桿II受壓縮，桿I受拉伸，直到室溫，形成殘余應(yīng)力。 當(dāng)鑄造應(yīng)力超過金屬的屈服點后，鑄件就會發(fā)生變形，