材料科学基础第七章23ppt课件

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锭模凝固模型
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1. 正常凝固及平衡分配系数k0
正常凝固方程：
S 0k01Lxk01
正偏析：溶质浓度由锭表面向中心逐渐增 加的不均匀分布。它是宏观偏析的一种。
这种偏析通过扩散退火也难以消除。
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2. 区域熔炼
❖ 如果合金通过由试样一端向另一端局部熔化，经 过区域熔炼的固溶体合金，其溶质浓度随距离的 变化与正常凝固有所不同的，其变化符合区域熔 炼方程：
平面生长模型
胞状生长模型
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树枝状生长模型
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平 界胞 面状 生生 长长
树枝状生长
不同成分过冷程度的. 三个区域
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过冷度影响因素
成分过冷对晶体生长形态的影响
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7.4.2 共晶凝固理论
1.共晶组织分类及形成机制
典型共晶组织
(1)金属—金属型：层片状或棒状共晶。
影响形状的因素：
① 共晶中两组成相的相对量（体积分数）。
7.4 二元合金的 凝固理论
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❖ 液态合金凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外， 由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶、 固中发生重新分布，这对合金的凝固方式和晶体 的生长形态产生很大的影响，会引起微观偏析或 宏观偏析。
❖ 微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象。
❖ 宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区 域范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异。
另一类反映合金性质的参数液相线斜率m、
平衡分配系数k0和溶质浓度W0 。
➢ 液相线斜率m大、平衡分配系数k0小和合金
溶质浓度W0大，都容易产生成分过冷。
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(3) 成分过冷对晶体生长形态的影响
❖固溶体凝固时在正的温度梯度下， 由于凝固界面液相中存在成分过冷， 并随着成分过冷冷度从小到大，其 界面生长形态将从平直界面向胞状 和树枝状发展。而纯金属凝固时须 在负的温度梯度下才得到树枝状组 织。这是二者的区别。
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3. 有效分配系数ke （自学）
(1)成分过冷的概念
➢ 纯金属凝固时，Tm不变，当T＜Tm时引起过冷， 液体的过冷度完全取决于实际温度分布，这种过 冷称为热过冷。
➢ 在合金凝固时，由于液相中溶质分布发生变化而 改变了凝固温度，这可由相图中的液相线来确定， 因此，将界面前沿液体中的实际温度低于溶质分 布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过 冷（constitutional supercooling）。
S
k0x
011k0 e l
该式表示经一次区域熔炼后随凝固距离变化的固 溶体质量浓度。
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➢当k0<1时，凝固前端部分的溶质浓度不 断降低，后端部分不断地富集，这使固溶 体经区域熔炼后的前端部分因溶质减少而 得到提纯，因此区域熔炼又称为区域提纯 （zone refining）。
➢区域提纯是应用固溶体理论的一个突出 成就。区域提纯已广泛应用于提纯许多半 导体材料、金属、有机和无机化合物等。 如锗
若共晶中两相中一相的体积分数小于27.6%时，有 利于形成棒状；反之有利于形成层片状。
②相界面的比界面能。
在共晶中一相的体积分数在27.6%以下时，当比界 面能降低有利于降低体系的能量时，有利于形成层片状。 当界面面积降低有利于降低体系的能量时，倾向于形成 棒状。
共晶体层片间距： k
R
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共晶组织的形成过程 横向扩散 搭桥机制
➢ 固溶体的凝固理论
➢ 共晶凝固理论
➢ 合金铸锭(件)的组织与缺. 陷
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7.4.1 固溶体的凝固理论
1.正常凝固 2.区域熔炼 3.有效分配系数ke 4.合金凝固中的成分过冷
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1. 正常凝固及平衡分配系数k0
➢ 平衡凝固（equilibrium solidification）：在凝固 过程中固相和液相始终保持平衡成分，即冷却时 固相和液相的整体成分分别沿着固相线和液相线 变化。
➢ 成分过冷能否产生及程度取决于液固界面前沿液
体中的溶质浓度分布和实际温度分布这两个因素。
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液固界面前沿液体中的溶质浓. 度分布导致的成分过冷
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(2) 成分过冷产生的临界条件
影响成分过冷倾向大小的因素可分为两大类：
一类是外界条件控制的参数温度梯度G和凝 固速度R。
➢ 当G值越小和R值越大，越容易产生成分过 冷。
➢ 合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分
布 的 程 度 可 用 溶 质 平 衡 分 配 系 数 （ equilibrium
distribution coefficient）k0表示。
➢ 平衡分配系数为平衡凝固时固相的质量分数WS 和液相的质量分数WL之比(即液固两平衡相中溶 质浓度之比)，即：
k0 = WS/WL
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共晶凝固中的成分过冷
➢ 对纯二元共晶，共晶固相的平均成分与液相 成分一致，没有溶质聚集，不产生成分过冷， 故以平直界面方式凝固。 ➢如二元共晶合金中包含杂质，或有第三合金 元素存在，共晶凝固长大中，杂质元素在其晶 体界面前沿液相中聚集，造成成分过冷，使共 晶界面发展成为胞状形态。
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7.4.3 合金铸锭(件)的组织与缺陷
❖ 零件的获得途径：
①铸件 ②铸锭—开坯—热轧(锻)—机加工—热 处理—机加工等工序 ❖ 铸锭(件)的宏观组织及性能 ❖ 铸锭(件)的缺陷 —缩孔与偏析
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1. 铸锭(件)的宏观组织
典型宏观组织由表层至中心分为：
❖ （1）表层细晶区（激冷区chill zone）：
❖ （2）柱状晶区形（columnar zone）：
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WS1 WL1
WS2
WL2
WL
WS
WL
WS
K0<1
K0>1
➢k0＜l时，随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度降低； ➢k0＞1时，随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度升高。 ➢k0越接近1，表示该合金凝固时重新分布的溶质成分与原合金成分 越接近，即重新分布的程度越小。
➢当固、液相线假定为直线时，由几. 何方法不难证明k0为常数。 5
1. 正常凝固及平衡分配系数k0
➢平衡凝固一般难实现，由于冷却时冷速 过快固相和液相的整体成分不可能达到 平衡成分，凝固为非平衡凝固 （nonequilibrium solidification）。
➢在非平衡条件下，已凝固的固相成分随 凝固先后顺序而变化。即随凝固距离x而 变化。（如图7.65所示）