第一章凝固熱力學(xué) - 材料科學(xué)和工程ppt課件

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(zhǎng)生長(zhǎng)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(wèn)題和發(fā)展概況1、基本問(wèn)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(gè)基本問(wèn)題。目前已建立了許多控制組織的方法，如孕育、動(dòng)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(wèn)題和發(fā)展概況1、

2、基本問(wèn)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(guò)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(wèn)題和發(fā)展概況1、基本問(wèn)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(jì)算機(jī)的應(yīng)用 近四十年來(lái)，從傳熱、

3、傳質(zhì)和固液界面三個(gè)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(jì)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(jì)算機(jī)的應(yīng)用 凝固過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)；快速樣件制造技術(shù)；過(guò)程和設(shè)備運(yùn)行的計(jì)算機(jī)控制。二、凝固過(guò)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)材料在經(jīng)歷

4、液固轉(zhuǎn)變時(shí)，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(guò)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(guò)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(gè)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(shí)，熵值將減小，說(shuō)明固體比液體的結(jié)構(gòu)更“整齊”。二、凝固過(guò)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)

5、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(guò)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(shí)液態(tài)金屬原子的狀態(tài)1500時(shí)液態(tài)金屬原子的狀態(tài)二、凝固過(guò)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(guò)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)、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(wú)關(guān)無(wú)關(guān)與過(guò)程經(jīng)歷的“歷程”與過(guò)程

6、經(jīng)歷的“歷程”有關(guān)有關(guān)與過(guò)程經(jīng)歷的“歷程”與過(guò)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)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(wú)關(guān)無(wú)關(guān)與過(guò)程經(jīng)歷的“歷程”與過(guò)程經(jīng)歷的“歷程”有關(guān)有關(guān)與過(guò)程經(jīng)歷的“歷程”與過(guò)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(guò)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(CT

7、dSdHdGVdpTdSdHSdTVdpdGTPCPVSHG三、自發(fā)過(guò)程三、自發(fā)過(guò)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等溫等容條件下體系的自由能永不增大；自發(fā)過(guò)程的方向力圖減低體系的增大；自發(fā)過(guò)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自由能，平衡的標(biāo)志是體系的自由能為極小。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(gè)只做體積功等溫等壓條件下，一個(gè)只做體積功的體系，其自由能永不增大；自發(fā)過(guò)程的體系，其自由能永不增大；自發(fā)過(guò)程的方向是使體系自由能降低，當(dāng)自由能的方向是使體系自由能降低，

8、當(dāng)自由能降到極小值時(shí)，體系達(dá)到平衡。降到極小值時(shí)，體系達(dá)到平衡。四、界面張力四、界面張力 物體與物體接觸時(shí)都會(huì)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(dòng)縮小的趨勢(shì)。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(jiǎn)單的薄膜拉伸試驗(yàn) 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

9、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(rùn)潤(rùn)濕濕情情況況。，表表現(xiàn)現(xiàn)為為潤(rùn)潤(rùn)濕濕情情況況。,900cos,90, 0cos,00LSSGLSSG又又稱稱潤(rùn)潤(rùn)濕濕角角。接接觸觸角角 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： 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(shì)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

10、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(diǎn)附近凝固時(shí)，熱焓和熵值隨溫度的變化可忽略不計(jì)，則有：mmmmmmmmTHS:,GTTSTHG故故時(shí)，時(shí)，當(dāng)，當(dāng)0ppTHCTdSdHdGVdpTdSdHSdTVdpdG)(mmmmmTTHTTHG)1 (即即過(guò)過(guò)冷冷度度式式中中：,TTTmm 過(guò)冷度T為金屬凝固的驅(qū)動(dòng)力，過(guò)冷度越大，凝固驅(qū)動(dòng)力越大；金屬不可能在TTm時(shí)凝固。二、自發(fā)形核二、自發(fā)形核 1、經(jīng)典相變動(dòng)力

11、學(xué)理論 根據(jù)經(jīng)典相變動(dòng)力學(xué)理論，液相原子在凝固驅(qū)動(dòng)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(guò)程中，必須越過(guò)一個(gè)能壘Gd，才能使凝固過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。 整個(gè)液相的凝固過(guò)程，就是原子在相變驅(qū)動(dòng)力Gm驅(qū)使下，不斷借助能量起伏以克服能壘Gd，并通過(guò)形核和長(zhǎng)大的方式而實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。GdGLGS0原子位置aGdGm凝固過(guò)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(dòng)力學(xué)理論 根據(jù)經(jīng)典相變動(dòng)力學(xué)理論，液相原子在凝固驅(qū)動(dòng)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(guò)程中，必須越過(guò)一個(gè)能壘Gd，才能使凝固過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。 整個(gè)液相的凝固過(guò)程，就是

12、原子在相變驅(qū)動(dòng)力Gm驅(qū)使下，不斷借助能量起伏以克服能壘Gd，并通過(guò)形核和長(zhǎng)大的方式而實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變過(guò)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)晶核為球形時(shí)：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(shí)：rrGrGLSm23434表面自由能體

13、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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)22*LS

14、*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(duì)對(duì)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(duì)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(duì)22*LS*2m3LS*2)(16)(4A31）G(316G084mLSLSmGr

15、AGrGrGrGGmLS*G2r即臨界晶核表面積式中式得：代入將得：令求導(dǎo)得：對(duì)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1/31/3，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(lái)補(bǔ)足。能量靠能量起伏來(lái)補(bǔ)足。GdGLGS0原子位置aGdGm凝固過(guò)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LSCSL

16、CLSCSLCcoscosLCLSCSrdr2A1ALSCSLCLSCSLCcoscos3coscos32)cos()sin()cos1(2)(sin2()sin(330220221rrrdrVrrdrArA3coscos32)cos()sin()cos1(2)(sin2()sin(330220221rrrdrVrrdrArA3coscos32)cos()sin()cos1(2)(sin2()sin(330220221rrrdrVrrdrArA3coscos32)cos()sin()cos1(2)(sin2()sin(330220221rrrdrVrrdrArA3coscos32)cos()s

17、in()cos1(2)(sin2()sin(330220221rrrdrVrrdrArAivmvLCCSLSiCSLSLCGGGGVGAAAGAAA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：112121ivmvLCCSLSiCSLSLCGGGGVGAAAGAAA有：而：則：晶核形成

18、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(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(3162, 0323*mLSmLSGGGrdrGd得：令)4coscos32(3162, 0323*mLSmLSGGGrdrGd得：令)4coscos32(3162,0323*mLSmLSGGGrdrGd得：令)coscos32(41)(),(3*ffGGhohe其中形形核

19、核不不起起作作用用。非非自自發(fā)發(fā)時(shí)時(shí)：當(dāng)當(dāng)即即可可形形核核。無(wú)無(wú)過(guò)過(guò)冷冷下下時(shí)時(shí)：當(dāng)當(dāng),180,00*0*0hoheheGGG4coscos32)(3f式中：形形核核不不起起作作用用。非非自自發(fā)發(fā)時(shí)時(shí)：當(dāng)當(dāng)即即可可形形核核。無(wú)無(wú)過(guò)過(guò)冷冷下下時(shí)時(shí)：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(diǎn)陣適配度其中：NCNNCaaaaa晶核的原子間距夾雜的原子間距晶格點(diǎn)陣適配度其中：NCNNCaaaaa晶核的原子間距夾雜的原子間距晶格點(diǎn)陣適配度其中：NCNNCaaaaa晶核的原子間距夾雜的原子間距晶格點(diǎn)陣適配度其中：NCNNCaaaaa%10

20、0、粗粗糙糙度度要要大大2、高高溫溫穩(wěn)穩(wěn)定定性性好好、分分散散性性好好43、高高溫溫穩(wěn)穩(wěn)定定性性好好、分分散散性性好好43意圖不同曲面襯底上形核示第四節(jié)第四節(jié) 生長(zhǎng)生長(zhǎng)一、固液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)生長(zhǎng)一、固液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長(zhǎng)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(zhǎng)成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬Bi、Sb、Si屬于此類m10 粗

21、糙界面 第四節(jié)第四節(jié) 生長(zhǎng)生長(zhǎng)一、固液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長(zhǎng)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(zhǎng)成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬Bi、Sb、Si屬于此類LTm10nm5 . 0 光滑界面 第四節(jié)第四節(jié) 生長(zhǎng)生長(zhǎng)一、固液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)生長(zhǎng)一、固液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長(zhǎng)成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、

22、宏觀粗糙； 將生長(zhǎng)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(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玻玻耳耳茲茲曼曼常常數(shù)數(shù)界界面面上上原原子子沉沉積積幾幾率率位位置置數(shù)數(shù)界界面面上上實(shí)實(shí)際際占占據(jù)據(jù)的的原原子子位位置置數(shù)數(shù)界界面面上上可可被被占占據(jù)據(jù)的的原原子子k

23、NNxNNAA,配配位位數(shù)數(shù)固固體體內(nèi)內(nèi)部部一一個(gè)個(gè)原原子子的的子子的的配配位位數(shù)數(shù)界界面面上上表表面面層層一一個(gè)個(gè)原原結(jié)結(jié)合合能能一一個(gè)個(gè)固固體體原原子子所所具具有有的的一一個(gè)個(gè)原原子子的的熔熔化化熵熵值值變變化化固固液液界界面面相相對(duì)對(duì)自自由由能能式式中中：0HSGmS玻玻耳耳茲茲曼曼常常數(shù)數(shù)界界面面上上原原子子沉沉積積幾幾率率位位置置數(shù)數(shù)界界面面上上實(shí)實(shí)際際占占據(jù)據(jù)的的原原子子位位置置數(shù)數(shù)界界面面上上可可被被占占據(jù)據(jù)的的原原子子kNNxNNAA,玻玻耳耳茲茲曼曼常常數(shù)數(shù)界界面面上上原原子子沉沉積積幾幾率率位位置置數(shù)數(shù)界界面面上上實(shí)實(shí)際際占占據(jù)據(jù)的的原原子子位位置置數(shù)數(shù)界界面面上上可可被被

24、占占據(jù)據(jù)的的原原子子kNNxNNAA,配配位位數(shù)數(shù)固固體體內(nèi)內(nèi)部部一一個(gè)個(gè)原原子子的的子子的的配配位位數(shù)數(shù)界界面面上上表表面面層層一一個(gè)個(gè)原原結(jié)結(jié)合合能能一一個(gè)個(gè)固固體體原原子子所所具具有有的的一一個(gè)個(gè)原原子子的的熔熔化化熵熵值值變變化化固固液液界界面面相相對(duì)對(duì)自自由由能能式式中中：0HSGmS玻玻耳耳茲茲曼曼常常數(shù)數(shù)界界面面上上原原子子沉沉積積幾幾率率位位置置數(shù)數(shù)界界面面上上實(shí)實(shí)際際占占據(jù)據(jù)的的原原子子位位置置數(shù)數(shù)界界面面上上可可被被占占據(jù)據(jù)的的原原子子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

25、.20.40.40.60.60.80.81 1mSNkTG0 .100 . 50 . 30 . 20 . 15 . 1不同不同 值時(shí)值時(shí) 與與 間的關(guān)系間的關(guān)系SG為粗糙界面。為粗糙界面。此時(shí)的界面形態(tài)被稱之此時(shí)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(shí)，半原子位置被沉積時(shí)，是說(shuō)有一是說(shuō)有一被沉積時(shí)最小，也就被沉積時(shí)最小，也就有有在界面原子位置在界面原子位置時(shí)，時(shí)，）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(shí)的自由能均最小，此時(shí)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

26、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(shí)，時(shí)，）當(dāng)）當(dāng)1022xGS簡(jiǎn)單立方晶體的長(zhǎng)大過(guò)程示意二、生長(zhǎng)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(cuò)錯(cuò)晶晶體體中中的的缺缺陷陷二二維維晶晶核核臺(tái)臺(tái)階階側(cè)側(cè)向向生生長(zhǎng)長(zhǎng)光光滑滑界界面面連連續(xù)續(xù)生生長(zhǎng)長(zhǎng)粗粗糙糙界界面面:晶體的生長(zhǎng)方式晶體的生長(zhǎng)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(cuò)錯(cuò)晶晶體體中中的的缺缺陷陷二二維維

27、晶晶核核臺(tái)臺(tái)階階側(cè)側(cè)向向生生長(zhǎng)長(zhǎng)光光滑滑界界面面連連續(xù)續(xù)生生長(zhǎng)長(zhǎng)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(cuò)錯(cuò)晶晶體體中中的的缺缺陷陷二二維維晶晶核核臺(tái)臺(tái)階階側(cè)側(cè)向向生生長(zhǎng)長(zhǎng)光光滑滑界界面面連連續(xù)續(xù)生生長(zhǎng)長(zhǎng)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(cuò)錯(cuò)晶晶體體中中的的缺缺陷陷二二維維晶晶核核臺(tái)臺(tái)階階側(cè)側(cè)向向生生長(zhǎng)長(zhǎng)光光滑滑界界面面連連續(xù)續(xù)生生長(zhǎng)長(zhǎng)粗粗糙糙界界面面kTR度度晶晶體體長(zhǎng)長(zhǎng)大大時(shí)時(shí)動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)過(guò)過(guò)冷冷生生長(zhǎng)長(zhǎng)速速度度kkTTR1系系度度與與動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)過(guò)過(guò)冷冷度度的的關(guān)關(guān)連連續(xù)續(xù)生生長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)時(shí)晶晶體體生生長(zhǎng)長(zhǎng)速速LS二二維維晶晶核核臺(tái)臺(tái)階階孕孕育育期

28、期kTRkTbeR2的的關(guān)關(guān)系系與與時(shí)時(shí)依依靠靠二二維維晶晶核核臺(tái)臺(tái)階階生生長(zhǎng)長(zhǎng)kTRkTR23kTR的的關(guān)關(guān)系系與與時(shí)時(shí)依依靠靠螺螺型型位位錯(cuò)錯(cuò)臺(tái)臺(tái)階階生生長(zhǎng)長(zhǎng)kTR與動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度的關(guān)系與動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度的關(guān)系不同生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)速率不同生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)速率三、生長(zhǎng)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(shí)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(shí)的溶質(zhì)再分配 假定凝固的任意時(shí)刻，固液界面處于局部平衡狀態(tài)，則有：*0LSCCk 第五節(jié) 溶質(zhì)再分配10LSCCk0CSCLCC固

29、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) 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(shí)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(shí)的溶質(zhì)再分配 假定凝固的任意時(shí)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(guò)冷判據(jù) 成分過(guò)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

30、引起的過(guò)冷 合金凝固時(shí)的成分過(guò)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(guò)冷度的增加，凝固界面形態(tài)的演變過(guò)程a)平界面b)痘點(diǎn)狀界面c)狹長(zhǎng)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(guò)冷判據(jù)：四、成份過(guò)冷與晶體生長(zhǎng)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(shí)，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(duì)晶體形態(tài)的影響/LGRoC“成分過(guò)冷與固液界面形貌

31、胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顦渲濉⑽⒂^偏析maxminRCSC偏析：金屬凝固過(guò)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(lái)表示：微觀偏析可造成材料本身的沖擊韌性、塑性繼耐腐蝕性降低有兩種情況：晶界與晶體生長(zhǎng)方向平行，晶界出現(xiàn)凹槽，溶質(zhì)富集程度高，如圖a；兩個(gè)晶粒相對(duì)生長(zhǎng)，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(gè)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(duì)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)

32、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(zhǎng)和離異生長(zhǎng)兩種。 對(duì)共生生長(zhǎng)，結(jié)晶時(shí)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(duì)方提供生長(zhǎng)所需組元，以此協(xié)同生長(zhǎng)。 這一點(diǎn)從共晶系平衡相圖中也可看出。a為共晶系平衡組織相圖bcd)為吉布斯自由能隨溫度變化示意圖共生生長(zhǎng)需要兩個(gè)基本條件： 兩相生長(zhǎng)能力接近，且析出相要容易在先析出相上形核和長(zhǎng)大。 兩組元在界面前沿的橫向傳輸要能保證兩相等速生長(zhǎng)的需要。 由于實(shí)際凝固過(guò)程中動(dòng)力學(xué)條件

33、的限制，實(shí)際共生區(qū)與前示平衡相圖上的共生區(qū)會(huì)有一定差異。通常要小一些，或是不對(duì)稱。 對(duì)稱形 非對(duì)稱形 離異生長(zhǎng)是指共晶合金兩相生長(zhǎng)時(shí)，沒(méi)有共同的生長(zhǎng)界面，兩相分離并以不同生長(zhǎng)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(diǎn)很遠(yuǎn)，初生相長(zhǎng)得很大且很多時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)，而另一相在初生相上繼續(xù)長(zhǎng)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(diǎn)高的金屬，且生長(zhǎng)界面為各向異性，此時(shí)領(lǐng)先相成球團(tuán)形態(tài)，其他相圍繞其表面生長(zhǎng)，構(gòu)成“暈圈”。 不完整暈圈的共生生長(zhǎng) 封閉暈圈的離異生長(zhǎng) 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

34、關(guān)系：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(shí),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(shí)，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的得逐層凝固特點(diǎn)；固液兩相區(qū)較寬時(shí)，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(duì)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(dòng)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(cè)定冷卻曲線，即溫度-時(shí)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(shí)間的關(guān)系-凝固動(dòng)態(tài)曲線。 由凝固動(dòng)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(dòng)態(tài)曲線的繪制a)鑄件斷面的溫度-時(shí)間曲線b)凝固動(dòng)態(tài)

35、曲線c)某時(shí)刻的凝固狀工業(yè)純鋁鑄件斷面的凝固動(dòng)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(gè)因素決定。 凝固溫度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(guò)程中的凝固控制一、鑄造生產(chǎn)過(guò)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(dòng)性試樣結(jié)構(gòu)示意圖1-澆口杯；2-低壩；3-直澆

36、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(dòng)性，常用螺旋形式樣澆鑄后得到的長(zhǎng)度制來(lái)衡量。2、收縮控制：鑄件在冷卻過(guò)程中體積縮小的現(xiàn)象叫收縮。收縮可分成三個(gè)階段：液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮。液態(tài)收縮：從澆注溫度降低到凝固開始的溫度時(shí)，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(lái)表示，其定義為：V0，V1合金在溫度為T0，T1時(shí)的體積；l0，l1合金在溫度為T0，T1時(shí)的長(zhǎng)度；av，al合

37、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(huì)出現(xiàn)孔洞。 體積大而集中的孔洞稱為縮孔； 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(guò)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(lái)近似確定縮孔位置。 其中前一種方法一般用于形狀較簡(jiǎn)單的鑄件，而對(duì)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(diǎn)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(shí)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

38、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(shí)，最后凝固的區(qū)域沒(méi)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(huì)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(shí)凝固的工藝原則來(lái)實(shí)現(xiàn)。3 3、應(yīng)力控制、應(yīng)力控制 鑄件冷卻時(shí)因各部分冷卻速度不同，造成在同一時(shí)刻各部分的收縮量不同，彼此相互制約的結(jié)果就

39、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(guò)程中，由于各部分冷鑄件在冷卻過(guò)程中，由于各部分冷卻速度不一致，造成收縮量不一致，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；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(guò)程中發(fā)生固態(tài)相變的鑄件冷卻過(guò)程中發(fā)生固態(tài)相變的時(shí)間不一致，體積和長(zhǎng)度變化的時(shí)間時(shí)間不一致，體積和長(zhǎng)度變化的時(shí)間也不一致，彼此制約，形成的應(yīng)力；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(guò)程中，線收縮受鑄件冷卻收縮過(guò)程中，線收縮受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。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(guò)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(shí)的應(yīng)力均可通過(guò)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(shí)內(nèi)應(yīng)力；第三階段t2t3）：粗桿I溫度較高，還會(huì)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(huì)受到桿II的強(qiáng)烈阻礙，桿II受壓縮，桿I受拉伸，直到