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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2012.2.20,第四章單相及多相合金的結(jié)晶,凝固過程中的質(zhì)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(duì)凝固過程的影響多相合金的凝固,4-1凝固過程中的質(zhì)量傳輸,4.1.1溶質(zhì)分配方程傳熱、傳質(zhì)、流動(dòng)影響凝固過程；擴(kuò)散過程便于理解溶質(zhì)再分配1.擴(kuò)散第一定律溶質(zhì)在擴(kuò)散場(chǎng)中某處的擴(kuò)散通量JJ:單位時(shí)間t內(nèi)通過單位面積A的溶質(zhì)質(zhì)量m，即J=dm/(Adt)與溶質(zhì)在該處的濃度梯度（dCL/dx）成正比，Jx=-DL（dCL/dx）注：負(fù)號(hào)（-）表示溶質(zhì)傳輸方向與濃度梯度方向相反。,基本概念1）穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散擴(kuò)散系統(tǒng)中，任一體積元在任一時(shí)刻、流入的物質(zhì)量與流出的物質(zhì)量相等，即任一點(diǎn)的濃度不隨時(shí)間變化。（C/t=0）2）非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散任一點(diǎn)的濃度隨時(shí)間而變化（C/t0）,2.擴(kuò)散第二定律對(duì)于一維擴(kuò)散的濃度分布，x=0，擴(kuò)散源位置；C=Cmax；x，C=C0，平均濃度當(dāng)xx+dx；擴(kuò)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(zhì)分配特征方程式條件：1）擴(kuò)散源穩(wěn)定（相變時(shí)溶質(zhì)的析出速度與擴(kuò)散速度處于動(dòng)平衡）；2）擴(kuò)散源的運(yùn)動(dòng)速度R與溶質(zhì)的析出速度也為動(dòng)態(tài)平衡。DLd2CL/dx2R（dCL/dx）=0,4.1.2凝固傳質(zhì)過程的有關(guān)物理量1.擴(kuò)散系數(shù)D表示物質(zhì)在介質(zhì)中的傳輸能力。介質(zhì)阻力D傳輸能力（1）充分?jǐn)U散：介質(zhì)阻力0，D（凝固時(shí)液體激烈攪拌）（2）有限擴(kuò)散：介質(zhì)阻力0，D=Di（一般溶質(zhì)擴(kuò)散）2.溶質(zhì)平衡分配系數(shù)k0k0=Cs*/CL*1）k01：溶質(zhì)元素從L越過S/L界面擴(kuò)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(zhì)生核最有效襯底大量生核所需的過冷）時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生：1）柱狀枝晶生長(zhǎng)；2）界面前方熔體也發(fā)生新的生核過程，且導(dǎo)致晶體在過冷熔體（GL0）自由生長(zhǎng)，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(jié)晶便是等軸晶區(qū)液體內(nèi)部推進(jìn)的過程。,合金固溶體凝固時(shí)的晶體生長(zhǎng)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(jié)晶狀態(tài)而言，外生生長(zhǎng)（平面生長(zhǎng)胞狀生長(zhǎng)柱狀枝晶生長(zhǎng)）內(nèi)生生長(zhǎng)（等軸枝晶）轉(zhuǎn)變；外內(nèi)轉(zhuǎn)變決定因素：成分過冷，外來質(zhì)點(diǎn)非均質(zhì)生核能力成分過冷區(qū)利于內(nèi)生生長(zhǎng)和等軸枝晶形成。枝晶生長(zhǎng)方向：枝晶主干、各次分枝的生長(zhǎng)方向/特定晶向。枝晶間距：相鄰?fù)畏种χg的垂直距離。,4-5共晶合金的結(jié)晶,一、共晶組織的特點(diǎn)和共晶合金的分類1.特點(diǎn)：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(zhǎng)胞狀生長(zhǎng)枝晶生長(zhǎng)；從柱狀晶（共晶群體eutecticcolony）等軸晶(共晶團(tuán)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(jié)晶過程中的相互作用、結(jié)晶條件有關(guān)。固液界面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不同，分為：（1）非小面非小面共晶合金：兩相均為非小面生長(zhǎng)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(zhǎng)的粗糙界面，另一相為小面生長(zhǎng)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(jié)晶方式,（1）共生生長(zhǎng)（Most合金）1）特征：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同生長(zhǎng)界面的雙相核心溶質(zhì)原子在界面前沿兩相間的橫向擴(kuò)散，互相不斷為相鄰的另一相提供生長(zhǎng)所需的組元彼此合作、一起向前生長(zhǎng)。2）分類：球團(tuán)形輻射狀結(jié)構(gòu)（共晶團(tuán)）：領(lǐng)先相獨(dú)立生核、自由生長(zhǎng)；扇形半輻射狀結(jié)構(gòu)：領(lǐng)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(zhǎng)條件下（單向結(jié)晶）,（2）離異生長(zhǎng),在共晶轉(zhuǎn)變中也存在著合金液不能進(jìn)入共生區(qū)的情況：共晶兩相沒有共同的生長(zhǎng)界面，它們各自以不同的速度獨(dú)立生長(zhǎng)，即兩相的析出在時(shí)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(zhǎng)的共晶結(jié)晶方式稱為離異生長(zhǎng)，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(dāng)一相大量析出，而另一相尚未開始結(jié)晶時(shí)，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(zhǎng)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(shí)，初生相就繼續(xù)長(zhǎng)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(zhì)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(zhǎng)速度上的差別，第二相環(huán)繞著領(lǐng)先相表面生長(zhǎng)而形成一種鑲邊外圍層的情況，此外圍層稱為“暈圈”。