共晶合金的結(jié)晶

1、共晶合金的結(jié)晶第1頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一1. 共晶核心的形成 交替形核：在一定的過冷度下，由于兩固溶體的成分的差別，總有一個固相領(lǐng)先形核，它稱為領(lǐng)先相，設(shè)領(lǐng)先相為，由于富集溶質(zhì)B組元，其生長時附近液體則出現(xiàn)溶質(zhì)貧化區(qū)，的存在和液體中溶質(zhì)的貧化，相將附著在上形核并長大，同理在相外將附著的形核長大。于是兩相交替形核、長大，構(gòu)成了共晶組織。第2頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一 共同生長：兩個相長大時都要排放相應(yīng)的溶質(zhì)組元，排出的溶質(zhì)將阻礙自身的生長，但兩相同時生長時，一相排出的組元正是另一相生長所需要的，所以兩相的生長過程將互相促進，最后

2、是兩相共同攜手長大。由于兩固相的成分是固定的，綜合成分應(yīng)和液體的成分相同，它們的數(shù)量反映在二者的厚度相對比例上。 2. 共晶體的長大第3頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一a)片層狀交替形核生長 b)片層狀共晶分離擴散 片層狀共晶的形核與生長b)第4頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一二、共晶組織形貌 1.共晶組織及分類 (1)按微觀特征分： 層片狀，棒狀，球狀，針狀，螺旋狀等。 當兩個固相都是金屬性較強相時，共晶體一般生長成層片狀。當兩相的相對數(shù)量比相差懸殊時，在界面能的作用下，數(shù)量較小的相將收縮為條、棒狀，更少時為纖維狀，甚至為點(球)狀。第5頁

3、，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一 當有一相或兩相都具有較強的非金屬性時，它們表現(xiàn)出較強的各向異性，不同方向的生長速度不同，并且有特定的角度關(guān)系，同時生長過程要求的過冷度也有差異，往往有一個相在生長中起主導作用，決定了兩相的分布，共晶體的形態(tài)也具有獨特性，這時常見的形態(tài)有針狀、骨肋狀、蜘蛛網(wǎng)狀、螺旋狀等。 第6頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一共晶組織形貌第7頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一典型共晶組織橫截面第8頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一片層狀 棒狀球狀 針狀第9頁，共33頁，2022年，5

4、月20日，18點31分，星期一螺旋狀 蛛網(wǎng)狀 放射狀 第10頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一(2)按共晶兩相本性與液固界面結(jié)構(gòu)分3類：金屬-金屬型（粗糙-粗糙界面） 呈片層狀、棒狀共晶。金屬-非金屬型（粗糙-光滑界面） 呈針狀、骨骼狀共晶。非金屬-非金屬型（光滑-光滑界面） 這類共晶在陶瓷、硅酸鹽、有機高分子材料中出現(xiàn)，形態(tài)資料很少。第11頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一2.影響共晶體形貌的因素 構(gòu)成共晶體兩相的性質(zhì)及相的體積分數(shù)會影響晶體形貌。 當兩相中的一相占3050時，呈片層狀； 當兩相中的一相30時，呈棒狀。 第三組元加入會在界面前沿

5、液相內(nèi)造成成分過冷影響其生長。如純組元兩相共晶體生長保持平面界面，加入雜質(zhì)或第三組元會以胞狀生長，當含量較多時也會發(fā)展成樹枝狀。第12頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一三、亞共晶與過共晶合金中初生相形態(tài) 初生相的形態(tài)與相的性質(zhì)有關(guān)。純金屬或以金屬為基的固溶體相，是按勻晶轉(zhuǎn)變得到的產(chǎn)物，組織中呈樹枝狀；若初生相為非金屬相或化合物則呈針狀、片狀或多邊多角狀。第13頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一a) Pb-Sn過共晶合金 b) Pb-Sb亞共晶合金 初生相形態(tài)第14頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一四、共晶系合金的非平衡結(jié)晶

6、1.偽共晶區(qū) 由非共晶成分在非平衡冷卻條件下所得到的全部共晶組織稱為偽共晶。 熱力學偽共晶區(qū) 單純從熱力學考慮，當合金溶液過冷到兩條液相線的延長線所包圍的影線區(qū)時，可得到偽共晶組織。 過冷度T增大，偽共晶區(qū)增大。 E點附近的合金（C1、C2)快冷可得到(+)的偽共晶組織。 第15頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一熱力學偽共晶區(qū)第16頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一 (2) 動力學偽共晶區(qū)動力學偽共晶區(qū)偏移與變形第17頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一2.離異共晶（C3合金) 結(jié)晶時在先共晶相（初生相）數(shù)量較多而共晶體數(shù)量

7、甚少的情況下，共晶組織中與先共晶相相同的那一相會依附于先共晶相生長，并把另一相推向最后凝固的晶界處，從而使共晶組織特征消失，呈兩相分離狀態(tài)，稱為離異共晶。 Al-Sn合金離異共晶第18頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一3.不平衡共晶組織（C4合金) 合金C4在平衡態(tài)下結(jié)晶時不發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，但在非平衡條件下由于固相成分線偏離固相線TAC（變?yōu)閳D中虛線）和鑄模冷卻具有定向散熱特征，使最后結(jié)晶部分的液體內(nèi)溶質(zhì)富集達到共晶成分，過冷后發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變得到少量共晶組織。 第19頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一6-4 鑄錠組織的形成與控制一、鑄錠三晶區(qū)及其形成

8、機制鑄錠三晶區(qū)：表層細晶區(qū)強過冷,非均勻形核。柱狀晶區(qū)純金屬:過冷度減小,形核困難,沿散 熱方向生長; 合金:成分過冷,一次軸發(fā)達,沿散熱 方向生長。 中心等軸晶區(qū)均勻散熱、液相區(qū)成分過冷、 熔體對流導致細晶漂移或枝晶破碎。第20頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一鑄錠三晶區(qū)示意圖1細晶區(qū) 2柱狀晶區(qū) 3中心等軸晶區(qū)第21頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一二、影響鑄錠組織的因素 受澆鑄溫度、冷卻速度、化學成分、變質(zhì)處理、機械振動與攪拌等因素影響。 鑄模冷卻能力強，澆注溫度高，散熱方向性強，液體內(nèi)正溫度梯度大時形成柱狀晶。金屬純度越高，越有利于柱狀晶

9、的發(fā)展。必須抑制柱狀晶的發(fā)展，避免出現(xiàn)穿晶。采取下列措施：（1）機械攪動破壞柱狀晶生長；（2）增加籽晶，增大中心等軸晶區(qū)；（3）孕育處理，加入形核劑，促進非均勻形核。第22頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一6-5 凝固技術(shù)一、定向凝固 定向凝固是使鑄件全部沿同一方向生長。由此產(chǎn)生有相同取向的柱狀、片層狀及棒狀所構(gòu)成的單相或雙相組織，它的縱向性能明顯高于橫向性能。 高溫渦輪葉片以成功應(yīng)用該技術(shù)。這種葉片工作中常沿與主應(yīng)力相垂直的橫向晶界發(fā)生沿晶斷裂。通過定向凝固可使葉片中的晶界與主應(yīng)力相平行，從而顯著提高葉片使用壽命。第23頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31

10、分，星期一汽輪機葉片的宏觀組織a) 定向凝固 b) 非定向凝固第24頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一第25頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一二、單晶制取 單晶材料是與半導體、壓電、光電、生光、熱電、紅外遙感等技術(shù)密切相關(guān)的功能材料。 單晶是由一個晶核生長成的具有宏觀尺寸的晶體材料。 常見制備方法有兩種：垂直提拉法，尖端形核法。 第26頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一第27頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一三、區(qū)域提純 根據(jù)固溶體合金定向凝固時溶質(zhì)再分布原理，使水平試樣左端與右端一個溶質(zhì)貧化一個溶質(zhì)富集。當k01時，凝固前端部分的溶質(zhì)濃度不斷降低，后端部分不斷富集，使前端部分因溶質(zhì)減少而得到提純。 區(qū)域熔化通過固定的感應(yīng)加熱器加熱移動的圓棒來實現(xiàn)。 區(qū)域提純是應(yīng)用固溶體凝固理論的一個突出成就。第28頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一第29頁，共33頁，2022年，5月20日，18點31分，星期一四、激冷技術(shù)（快速凝固）霧化技術(shù) 是把熔體在離心力、機械力或高速流體沖擊力作用下，分散成尺寸極小的霧狀熔滴，并使熔滴在與流體