第七章單相固溶體合金及鑄錠的凝固

第七章單相固溶體合金及鑄錠的凝固第1頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月合金凝固時(shí)溶質(zhì)原子要發(fā)生重新分布，這將對(duì)晶體的生長(zhǎng)形態(tài)產(chǎn)生影響，并形成宏觀和微觀偏析。§7.1固溶體合金凝固時(shí)溶質(zhì)的分布圖7-1不同KO的相圖一.平衡分配系數(shù)平衡分配系數(shù)：平衡凝固時(shí)（假設(shè)）界面處固相含溶質(zhì)量與液相含溶質(zhì)量的比值。即K0＝（液相線與固相線近似為直線時(shí)K0為常數(shù)）KO＜1KO＞1第2頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.正常凝固時(shí)液－固相線中溶液的分布研究水平園棒的定向凝固，對(duì)于KO<1的相圖，成分為C0,假設(shè)固相中無(wú)擴(kuò)散，液相中可通過(guò)擴(kuò)散、對(duì)流和攪拌使溶液混合。（一）液相完全混合時(shí)固相、液相的溶質(zhì)分布:1.完全混合：凝固速度很慢（近平衡），液相中有擴(kuò)散、對(duì)流和攪拌，整個(gè)剩余液體中溶質(zhì)濃度均勻液相中溶液的混合分為三種：完全混合、完全無(wú)混合、部分混合。第3頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溫度固相成分液相成分T0koC0C0(直線)T1koC1C1（直線）T2koC2C2（直線）T3k0C0（直線）T℃TOT1T2T5k0c0c0

k0c1c1k0C2c2

C0C0A

B%C1C2C3C4K0C1B%

K0<1K0>10

x第4頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由此可知：1.對(duì)于ko<1相圖，固相中溶質(zhì)富集于右端;對(duì)于ko>1

相圖,固相中溶質(zhì)富集于左端。2.定向凝固液相完全混合時(shí)造成固相溶質(zhì)分布不均勻從而產(chǎn)生成分偏析（宏觀）：

(1)

k0<1相圖，K0↓偏析↑(2)k0>1相圖，K0

↑偏析↑3.利用定向凝固產(chǎn)生偏析的原理，可以提純材料：

(1)k0<1相圖，K0↓提純效果↑(2)k0>1相圖，K0

↑提純效果↑由計(jì)算可知，固相及液相中溶質(zhì)的分布曲線分別為：CL=C0,CS=K0C0X-已凝固量；l-鑄錠至型腔距離第5頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）液相完全無(wú)混合時(shí)固、液相的溶質(zhì)分布:完全無(wú)混合條件：冷卻與凝固速度較快（非平衡）；液相中溶質(zhì)僅靠擴(kuò)散混合，無(wú)對(duì)流及攪拌（邊界層有濃度梯度，以C0成分合金凝固為例）；1.凝固初期（Ⅰ階段）:固相的溶質(zhì)濃度必為k0C0，界面前沿的液相濃度必然高于C0，離界面較遠(yuǎn)的地方仍然保持原始成分Co，在界面前沿就出現(xiàn)了濃度梯度，如（b）圖及(c)圖的第Ⅰ階段。T℃TOT1T2T5k0c0c0

k0c1c1k0C2c2

C0C0A

B%(b)第6頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）凝固的穩(wěn)定階段（Ⅱ階段）：

當(dāng)界面成分是C0，前沿的液相成分為C0/k時(shí),如圖(b)的T5溫度和圖(c)的第Ⅱ階段直至Ⅱ階段結(jié)束。此階段滿足：固相結(jié)晶排向液相的溶質(zhì)量＞溶質(zhì)原子離開界面排向液相的溶質(zhì)量。此階段滿足：固相結(jié)晶排向液相的溶質(zhì)量＝溶質(zhì)原子離開界面排向液相的溶質(zhì)量。經(jīng)計(jì)算可知界面處液固相的溶質(zhì)分布為：CS=K0C0(1+)CL=C0(1+)

R—界面遷移速度，D-溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，x—已凝固固相量的長(zhǎng)度第7頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月凝固將要結(jié)束時(shí)，固液相溶質(zhì)分布如右圖。由此可知：液相完全無(wú)混合時(shí)鑄錠成分較完全混合時(shí)均勻。液相完全無(wú)混合固、液相溶質(zhì)分布3.液相部分混合時(shí)時(shí)固相、液相的溶質(zhì)分布（實(shí)際鑄件凝固）：液相部分混合條件：①冷卻與凝固速度稍快；②無(wú)攪拌，液相主要通過(guò)

對(duì)流、擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)混合；③S/L界面有邊界層，邊界層有濃度堆積；第8頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液相溶質(zhì)部分混合時(shí)，固相、液相溶質(zhì)的分布（1）初期階段：①由于液相原子擴(kuò)散速度較小，邊界層成分(CL)i與大體積液相成分(CL)B相差較大，且：(CL)B>C0②固相結(jié)晶排出溶質(zhì)部分進(jìn)入大體積液相，使邊界層中的濃度梯度不斷增大如圖(d)的第Ⅰ階段。初期階段示意圖第9頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）穩(wěn)定態(tài)階段：①固相排出溶質(zhì)量=溶質(zhì)由邊界層擴(kuò)散出的溶質(zhì)量;②邊界層中濃度梯度保持不變;③S/L界面液相濃度(CL)i及大體積液相濃度(CL)B不斷增加④(CL)i/(CL)B=K1(常數(shù))一直到凝固終了。經(jīng)計(jì)算界面處：有效分配系數(shù)Ke：∵(CL)i/(CL)B=K1,(CS)i/(CL)i=K0

Ke=K0×K1∴(CL)B大體積液相平均濃度第10頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有效分配系數(shù)Ke：

在“部分混合”時(shí)，界面處固相濃度(CS)i與大體積液相濃度平均濃度(CL)B的比值為“有效分配系數(shù)”.

Ke---K0的關(guān)系：經(jīng)計(jì)算求得：R—界面遷移速度D---溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)δ---邊界層厚度第11頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由可知：(1)當(dāng)R很小時(shí)（凝固速度無(wú)限緩慢充分對(duì)流擴(kuò)散）屬于

(2)當(dāng)R很大時(shí)（無(wú)對(duì)流及擴(kuò)散僅靠原子擴(kuò)散混合）完全混合，≈0,δ≈0，Ke≈K0；≈∞，Ke≈1這屬于完全無(wú)混合狀態(tài)；完全混合，≈0,δ≈0，Ke≈K0；(3)R介于二者之間時(shí)0＜δ＜∞，K0＜Ke＜l，屬于部分混合狀態(tài)。第12頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月綜上所述固溶體三種混合情況液、固相溶質(zhì)分布如下：（K0<1的相圖，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)）(1)液相完全混合：(2)液相完全無(wú)混合：(3)液相部分混合：第13頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液相四種混合狀態(tài)的固相中溶質(zhì)分布定向凝固后固相中溶質(zhì)的分布曲線(e)直線為平衡凝固;(b)曲線為完全混合-偏析嚴(yán)重;(c)曲線為完全無(wú)混合-偏析較輕;(d)曲線為部分混合-界于二者之間.

定向凝固結(jié)論：①液相混合越充分,鑄錠凝固后溶質(zhì)分布越不均勻，區(qū)域偏析越嚴(yán)重。②利用定向凝固進(jìn)行提純材料，液相混合越充分,提純效果越好。

第14頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

§7.2固溶體合金的成分過(guò)冷一.成份過(guò)冷的產(chǎn)生①設(shè)K0<1的相圖,液相完全無(wú)混合，合金成分為C0,進(jìn)行完全無(wú)混合的單向凝固如圖（a）;②液相中實(shí)際的溫度分布圖（b）為dT/dx>0,只受壁模和已凝固的固相單向散熱所控制;（b）實(shí)際散熱方向第15頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月③凝固過(guò)程中的溶質(zhì)分布如圖(c),某溫度液相成分為CL其含B%量高于合金成分C0液相完全無(wú)混合,邊界層溶質(zhì)聚集④比較(a)和(c)可知,合金溶液的凝固溫度隨成份而變化,液相含溶質(zhì)量越高,凝固溫度越低,因而前沿液相中的理論結(jié)晶溫度分布曲線如圖（d）；d與b圖畫在一起，構(gòu)成e圖，形成前沿液相的成分過(guò)冷區(qū)，是由實(shí)際結(jié)晶溫度分布和前沿液相理論結(jié)晶溫度共同決定的。c（d）（e）第16頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月成份過(guò)冷的概念:在合金凝固時(shí)（液相部分或完全無(wú)混合）由于邊界層液相溶質(zhì)分布發(fā)生變化，從而引起前沿液相凝固溫度變化，與實(shí)際溫度分布兩個(gè)因素共同決定的過(guò)冷.二、產(chǎn)生成分過(guò)冷的條件（臨界條件）經(jīng)計(jì)算,產(chǎn)生成分過(guò)冷的條件是：GR是G與理論結(jié)晶溫度相切時(shí)的溫度梯度，因此產(chǎn)生成分過(guò)冷的臨界條件是：T理論G-溫度梯度；R-結(jié)晶速度；m-相圖液相線的斜率；D-液相溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；K0-平衡分配系數(shù)（推導(dǎo)過(guò)程從簡(jiǎn)）第17頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由此式可知：G<GR有成分過(guò)冷；G≥GR時(shí)無(wú)成分過(guò)冷。T理論三、影響成分過(guò)冷的因素（一）合金本身：（GR

，成份過(guò)冷增大）液相線越陡,合金C0↑,液體中D↓,K0＜l時(shí)K0↓;或K0＞1時(shí)K0↑,都會(huì)促使成分過(guò)冷傾向增大。（二)外界條件：溫度梯度越小(G↓),R↑,則使成分過(guò)冷傾向增大。第18頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、成份過(guò)冷對(duì)固溶體合金長(zhǎng)大方式及形態(tài)的影響：

C0、R一定時(shí)GL對(duì)成分過(guò)冷的影響成份過(guò)冷區(qū)的形成給正溫度梯度下凝固的單相合金鑄錠創(chuàng)造了類似在負(fù)溫度梯度下凝固的條件，必然影響凝固過(guò)程中晶體的長(zhǎng)大及其形態(tài)，固溶體合金的結(jié)晶其界面為“粗糙界面”：①當(dāng)G≥G1時(shí)，無(wú)成分過(guò)冷，固溶體凝固與純金屬相同，S/L界面垂直長(zhǎng)大—平面狀;②當(dāng)G<<G1時(shí),成份過(guò)冷較大，晶體呈樹枝狀長(zhǎng)大---樹枝晶（如G＝G3）;第19頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月③當(dāng)G稍<G1時(shí)(G2)，有較小的成分過(guò)冷，界面以胞狀長(zhǎng)大----胞狀晶.胞狀晶形成過(guò)程應(yīng)該指出：固溶體合金在實(shí)際生產(chǎn)中，組織形態(tài)主要受溫度梯度和結(jié)晶速度所控制，都具有成分過(guò)冷，因此經(jīng)常長(zhǎng)成樹枝晶體或胞狀樹枝晶體。第20頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作業(yè)（三）一.填空1.固溶體合金，在鑄造條件下，容易產(chǎn)生____偏析，用____方法處理可以消除。2.AL－CuAL2共晶屬于__型共晶，AL-Si共晶屬于__型共晶，Pb－Sn共晶屬于__型共晶。3.固溶體合金凝固時(shí)有效分配系數(shù)ke的定義是__。當(dāng)凝固速率無(wú)限緩慢時(shí)，ke趨于__；當(dāng)凝固速率很大時(shí)，則ke趨于__。4.K0<1的固溶體合金非平衡凝固的過(guò)程中，K0越小，成分偏析越____,提純效果越_____；而K0>1的固溶體合金非平衡凝固的過(guò)程中，K0越大，成分偏析越____,提純效果越_____。5.固溶體合金_____凝固時(shí)成分最均勻，液相完全混合時(shí)固溶體成分偏析（宏觀偏析）最___；液相完全無(wú)混合時(shí)固溶體成分偏析最____，液相部分混合時(shí)固溶體成分偏析_________。第21頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.已知A-B二元相圖，液、固相線近似為直線且Ko>1合金成分為Co，固相無(wú)擴(kuò)散，液相完全無(wú)混合凝固。試畫出：1）A-B二元合金相圖及液相實(shí)際溫度分布線。2）邊界層液相溶質(zhì)分布曲線3）由液相溶質(zhì)分布而引起的液相溫度分布曲線并對(duì)照相圖加以說(shuō)明（理論溫度分布曲線）。4）畫出由液相實(shí)際溫度與理論溫度分布曲線組成的成分過(guò)冷區(qū)并定義何謂成分過(guò)冷。第22頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4．試說(shuō)明在正溫度梯度下為什么固溶體合金凝固時(shí)一定呈樹枝狀方式長(zhǎng)大，而純金屬卻得不到樹枝狀晶體？3.固溶體合金液相完全無(wú)混合凝固時(shí)，產(chǎn)生成分過(guò)冷的臨界條件為：1)說(shuō)明能否產(chǎn)生成分過(guò)冷的條件。2)如果外界條件不變，圖中C0和C1兩合金相比哪個(gè)合金產(chǎn)生成分過(guò)冷的傾向大？為什么？3)成分過(guò)冷對(duì)固溶體生成形態(tài)有何影響？對(duì)于一定成分的合金CO，如何控制外界條件來(lái)避免出現(xiàn)粗大的樹枝狀組織？m為液相線斜率，G為液相實(shí)際溫度梯度R為液－固界面移動(dòng)速度且KO<1第23頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

§7.2鑄造缺陷一.偏析偏析－包括宏觀偏析和微觀偏析（一）微觀偏析（顯微偏析）①晶內(nèi)偏析(枝晶偏析)非平衡結(jié)晶中，枝晶與枝晶間先凝固與后凝固的固溶體中含溶質(zhì)的量不同，從而形成晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。第24頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月枝晶偏析可用擴(kuò)散退火消除②胞狀偏析：胞壁即及胞內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象成分過(guò)冷較小時(shí)，合金形成胞狀組織，在胞壁與胞內(nèi)存在成分偏析，K0<1時(shí)胞壁溶質(zhì)富集，K0>1時(shí)胞內(nèi)溶質(zhì)富集。第25頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月胞狀偏析示意圖晶界偏析示意圖③晶界偏析a)圖兩個(gè)晶粒并排生長(zhǎng)(晶界平行于生長(zhǎng)方向)，由于表面張力平衡條件的要求在晶界與熔液交界的地方就要出現(xiàn)一個(gè)凹槽，此處有利于溶質(zhì)原子的富集凝固后形成了晶界偏析。b)圖.兩個(gè)晶粒彼此面對(duì)面生長(zhǎng)，結(jié)果晶界彼此相遇，在它們之間富集大量溶質(zhì)，從而造成晶界偏析。第26頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）宏觀偏析（1）正常偏析（正偏析，正常凝固）：對(duì)于合金（K0<1）鑄錠凝固后，外層固溶體溶質(zhì)含量低于內(nèi)層溶質(zhì)含量為正常偏析。液相混合越充分，凝固后鑄件內(nèi)外溶質(zhì)差別越大，成分偏析越嚴(yán)重，應(yīng)減弱液相的混合，減小正常偏析。（2）反偏析（負(fù)偏析，反常凝固）：反偏析示意圖對(duì)于合金（K0<1）鑄錠凝固后，外層固溶體溶質(zhì)含量比內(nèi)層溶質(zhì)含量高為反偏析。第27頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①原來(lái)鑄件中心地區(qū)的富集溶質(zhì)元素的熔液，由于鑄件凝固時(shí)發(fā)生收縮而在樹枝晶之間產(chǎn)生空隙.形成原因：②加上溫度的降低，使熔液中的氣體析出而增大壓強(qiáng)，把鑄件中心溶質(zhì)濃度較高的液體沿著柱狀晶之間的‘渠道”吸至(壓至)鑄件的外層，形成反偏析。第28頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.比重偏析:比重偏析-由組成相與熔液之間比重的差別較大，凝固時(shí)先共晶相的上浮或下沉從而導(dǎo)致鑄件中組成相上下分布及成分不均勻，所引起的一種宏觀偏折。

(1)增大鑄件的冷速，使先共晶來(lái)不及上浮或下沉。(2)加入第三種合金元素，形成熔點(diǎn)較高的、比重與濃相接近的樹枝狀化合物使之首先結(jié)晶阻止偏析相的浮沉。預(yù)防措施：第29頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、夾雜與氣孔因氣體析出而形成的空洞，氣孔分為析出型和反應(yīng)型。析出型氣孔：溶于液體中的氣體在冷卻過(guò)程中析出，而沒(méi)有逸出液體之外時(shí)形成的。反應(yīng)型氣孔：金屬液體冷卻過(guò)程中發(fā)生某種反應(yīng)所生成的氣體保留在金屬中所形成的孔洞。2.氣孔:1“夾雜”“夾雜”是指混雜在金屬中，與基體金屬成分、結(jié)構(gòu)都不同的顆粒夾雜物分為兩大類。

第30頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月縮孔：由于金屬凝固之后沒(méi)有溶液的繼續(xù)補(bǔ)充，從而出現(xiàn)收縮空洞。三.縮孔：縮孔是一種鑄造缺陷，并且難于避免①縮管：溶液由外向內(nèi)，自上而下冷卻時(shí)，液面不斷下降在鑄錠上部形成倒圓錐形的縮管（a）圖。1.集中縮孔（b）縮孔(a)縮管②縮孔（縮穴）：鑄錠上部已經(jīng)凝固，下部處于液體狀態(tài)，凝固時(shí)無(wú)液體及時(shí)補(bǔ)充在中下部形成的縮孔(b)圖。集中縮孔要切除掉，應(yīng)減小集中縮孔的深度。第31頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)采取的措施：鑄型采用上薄下厚，上大下小加保溫桶等措施。固體的枝狀長(zhǎng)大，枝晶間液體被固相封閉與母相隔離形成的收縮空洞。①一般疏松：被封閉的液體凝固后形成如（c）圖。②中心疏松：由于最后凝固的液體氣體的析出形成的空洞(d)圖。2、分散縮孔：（疏松）(c)一般疏松(d)中心疏松第32頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月枝晶越發(fā)達(dá)，疏松越嚴(yán)重。液固相比容差越大，疏松越嚴(yán)重。真空熔煉，可使疏松減輕。措施及影響因素：1.單相柱晶、片層狀及桿狀共晶的縱向和橫向性能差別很大，沿縱向具有較為優(yōu)良的力學(xué)性能。2.在特殊的冷卻裝置上是逐漸全部由向單一方向延伸的柱晶、片層狀或桿狀共晶所組成，使其延伸方向與鑄件工作應(yīng)力最大的方向一致，可使這些鑄件具有良好的使用性.四、控制鑄造金屬組織的特殊措施（一)定向凝固第33頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)純金屬液體以1010K／S以上、合金液體以105~106K／S以上的冷卻速度冷到室溫時(shí),將不發(fā)生結(jié)晶,液體凝固后保持其原來(lái)的結(jié)構(gòu)，這種狀態(tài)叫做非晶態(tài)或玻璃態(tài)。非晶態(tài)金屬具有較高的強(qiáng)度和一定的韌性,它的電阻率高，聲波衰減率低，耐蝕性高。共晶成分的合金可用較低的冷卻速度獲得非晶態(tài)。（二）制備非晶態(tài)合金（三）制取微枝晶合金枝晶間距越小，可使微縮孔細(xì)化，偏析成都減小，從而提高鑄件的力學(xué)性能，枝卻微枝晶的基本措施：激冷，且凝固速度越快，枝晶間距越小。第34頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.成份過(guò)冷的產(chǎn)生①設(shè)K0＞1的A-B二元相圖,液相完全無(wú)混合凝固，合金成分為C0,進(jìn)行定向

凝固如圖（a）;②液相中實(shí)際的溫度分布圖（b）為dT/dx>0,只受壁模