03液态金属的凝固理论基础-第3章 单相合金的凝固

“成分过冷”对单相合金凝固过程的影响规律
• 随“成分过冷”程度增大， 程度增大， 固溶体生长方式： 固溶体生长方式： → 平面晶 → 胞状晶 →胞状树枝晶(柱状树枝晶) →内部等轴晶(自由树枝晶)
一、平面生长
a
b
c
二、成分过冷作 用下的胞状组织 的形成及其形貌
胞状界面的成分过冷区的宽度约在0.0l一0.1cm之 间，随着成分过冷的增大， 随着成分过冷的增大，发生： 发生：胞状晶的生长方向垂直 于固-液界面（ 液界面（与热流相反与晶体学取向无关）。 与热流相反与晶体学取向无关）。
D L R
− 0
e
R DL
x′ ]
特征距离
当
x ′ =
时，
｛CL(x’)－C0｝降到:
X´
1 1 C0( − 1) ⋅ K 0 e
称为溶质富集层的“特征距离”。
第二节 合金凝固界面前沿 的成分过冷
一、“成分过冷”条件和判据 二、“成分过冷”的过冷度
一、“成分过冷”条件和判据
•
“成分过冷”的形成条件分析
四、自由树枝晶的生长
自由树枝晶形成条件
• 界面前成分过冷的极大值大于 等轴枝晶的存在阻止了柱 熔体中非均质形核所需的过冷 度时， ，在柱状枝晶生长的同 度时 状晶区的单向延伸， 状晶区的单向延伸，此后的 时，前方熔体内发生非均质形 核 过程， 过程，并在过冷熔体中的自 结晶过程便是等轴晶区不断 由生长， 由生长，形成了方向各异的等 向液体内部推进的过程。 向液体内部推进的过程 轴晶（ （自由树枝晶） 轴晶 自由树枝晶）。
∗ S 0 0 0 S
二、液相充分混合均匀时的溶质再分配
该情况下溶质在固相中没有扩散， 该情况下溶质在固相中没有扩散，而在液相中充分混合均匀。 起始凝固时与平衡凝固时相同： ： 起始凝固时与平衡凝固时相同， 接着凝固时由于固相中无扩散， 接着凝固时由于固相中无扩散
C S = K 0C 0 ， C =C0 。 K0 CL 成分沿斜线由 逐渐上升 0逐渐上升。
三、液相只有有限扩散时的溶质再分配
凝固过程分为三个阶段： 凝固过程分为三个阶段： 最初过渡区 稳定态区 最后过渡区 凝固稳定状态 凝固稳定状态阶段富集层溶质分布规律 稳定状态阶段富集层溶质分布规律（ 阶段富集层溶质分布规律（指数衰减曲线）： 指数衰减曲线）：
C
L
1− K = C 0 [1 + K0
K C 开始（ （ T=T ） 时 ： C = K C C = C 开始 ∗ ∗ C = L =， S =1 = 0 C 0L : C L 扩散均匀 。 的平衡成分， ， 、 液相中成分均能及时充分 的平衡成分 即固 C S凝固终了时， fS + f即固、 C CC 固相成分均匀地为 凝固终了时 1 −C (0 1 0 ( fS + fL ) C S L= LC s S = 0− K ) f L
G L m L ⋅ C 0 (1 − K 0 ) ＜ R DL K0
• 液相部分混合时形成“成分过冷”的Hale Waihona Puke Baidu据
GL m CL ＜ L R DL 1 K0 +e 1− K0
− R δN DL
由判据
G L m L ⋅ C 0 (1 − K 0 ) ＜ R DL K0
可见， 可见，下列条件有助于
形成“成分过冷”： • • • • • • 液相中温度梯度小（ 液相中温度梯度小（G L小）； 晶体生长速度快， 晶体生长速度快，R大； 即陡的液相线斜率； m L大，即陡的液相线斜率 ； 原始成分浓度高， 原始成分浓度高，C 0大； 液相中溶质扩散系数 D L低； K 0＜1 时，K 0 小；K 0＞1 时，K 0 大 材料因素
沟
槽
不规则的胞状界面
狭长的胞状界面
规则胞状态
三、较宽成分过冷 作用下的枝晶生长
随界面前成分过冷区逐渐加宽 →胞晶凸起伸向熔体更远处 →胞状晶择优方向生长 →胞状晶的横断面出现凸缘 →短小的锯齿状“二次枝晶” （胞状树枝晶） 胞状树枝晶） 在成分过冷区足够大时， 在成分过冷区足够大时，二次枝晶 上长出“三次枝晶”
以从一端开始凝固的棒状亚共晶合金为例， 以从一端开始凝固的棒状亚共晶合金为例，分别讨论在下 述三种凝固条件下， 述三种凝固条件下，铸件凝固过程中溶质的分布变化。 铸件凝固过程中溶质的分布变化。
一、平衡凝固 二、液相充分混合均匀 三、液相只有有限扩散
一、平衡凝固条件下的溶质再分配
平衡凝固是指液、 、 平衡凝固是指液 * )固相溶质成分完全达到平衡状态图对应温度 固、液相质量分数 fs 、 fL ： 凝固过程( ( T=T 中， 固 -与固液相成分间关系式： 液界面上成分为： 与固液相成分间关系式 凝固过程 液界面上成分为：
细晶强化效果显著 成分趋于均匀化 显微缩松、 显微缩松、夹杂物细小 且分散 热裂纹倾向小
枝晶间距小
材料性能好
第一节 凝固过程溶质再分配 第二节 合金凝固界面前沿的成分过冷 第三节 “成分过冷”对合金单相固溶体结 晶形态的影响
第一节 凝固过程溶质再分配
固—液界面前沿的溶质再分配现象 除纯金属外， 除纯金属外，单相合金的凝固过程一般是在一个固液两相共 存的温度区间内完成的。 存的温度区间内完成的。在 区间内的任一点， 区间内的任一点，共存两相都具有 不同的成分， 不同的成分，因此结晶过程必然导致界面处固液两相成分的分 离；同时， 同时，由于界面处两相成分随温度降低而变化， 由于界面处两相成分随温度降低而变化，故晶体生长 与传质过程必然相伴而生。 与传质过程必然相伴而生。这样， 这样，从形核开始到凝固结束， 从形核开始到凝固结束，在整 个结晶过程中固液两相内部将不断进行着溶质元素的重新分布过 程，称为合金结晶过程中的溶质再分配 合金结晶过程中的溶质再分配。它是合金结晶的一大特 称为合金结晶过程中的溶质再分配。 点，对结晶过程影响极大。 对结晶过程影响极大。 显然， 显然，溶质再分配现象起因于平衡相图这一系统热力学特性 所决定的界面两侧溶质成分的分离， 所决定的界面两侧溶质成分的分离，而具体的分配形式则与决定 传质过程的动力学因素密切相关。 传质过程的动力学因素密切相关。
工艺因素
二、“成分过冷”的过冷度
以液相只有扩散的情况为例： 以液相只有扩散的情况为例： • “成分过冷”区的最大过冷度： 区的最大过冷度：
∆Tmax m L C 0 (1 − K 0 ) G L D L R ⋅ m L C 0 (1 − K 0 ) = − [1 + ln ] K0 R G L DL K 0
* ( C − C 因 L S ) df s = (1 − f s ) dC L
凝固过程中固－ 凝固过程中固－液界面上的成 分为（ 分为（Scheil公式 ）：
∗ CS = K 0 C 0 (1 − f S ) ( K 0 −1)
∗ CL = C0 fL ( K 0 −1)
• 随着固相分数（ 随着固相分数（fS）增加， 增加，凝固 界面上固、 界面上固、液相中的溶质含量均 增加， 增加，因此已经凝固固相的平均 成分比平衡的要低。 成分比平衡的要低。 • 当温度达到平衡的固相线时， 当温度达到平衡的固相线时，势 必仍保留一定的液相（ 必仍保留一定的液相（杠杆原 理），甚至达到共晶温度 ），甚至达到共晶温度TE时仍 有液相存在。 有液相存在。这些保留下来的液 相在共晶温度下将在凝固末端形 成部分共晶组织。 成部分共晶组织。
（K0＜1 情况下) ：
TM
mL
a)
TS
C L *= C 0 /k 0 C S= C 0
C%
→ 界面前沿形成溶质富集层 → 液相线温度TL(x‘)随x’增大上升 → 当GL（界面前沿液相的实际温度梯度） 界面前沿液相的实际温度梯度）小 于液相线的斜率时， 于液相线的斜率时，即:
G
L
C% C S*
界面
• “成分过冷”出现的区域宽度： 出现的区域宽度：
2 2 k 0 GD L 2DL ∆X = − R m L C 0 (1 − k 0 ) R 2
二、“成分过冷”的本质
1、成分过冷使实际过冷度降低。 成分过冷使实际过冷度降低。 2、成分过冷使界面不稳定， 成分过冷使界面不稳定，不能保持平面生长。 不能保持平面生长。 3、成分过冷阻止原有界面的生长， 成分过冷阻止原有界面的生长，促进界面前方液相中形核。 促进界面前方液相中形核。
第三节 “成分过冷”对晶体宏观长大方 式的影响
几种宏观生长方式
1、无“成分过冷”——平面生长（ 平面生长（温度梯度G1） 2、窄“成分过冷”区——胞状生长（ 胞状生长（温度梯度G2）
3、较宽“成分过冷”区——柱状树枝晶生长（ 柱状树枝晶生长（温 度梯度G3）
4、宽“成分过冷”区——自由树枝晶生长（ 自由树枝晶生长（温度 梯度G4）
第3章 单相合金的凝固
按照液态金属凝固过程中晶体形成的特点， 按照液态金属凝固过程中晶体形成的特点， 合金可分为单相合金 合金可分为单相合金和 多相合金两大类。 单相合金和多相合金两大类 两大类。单相合 金是指在凝固过程中只析出一个固相的合金， 金是指在凝固过程中只析出一个固相的合金，如 固溶体、 固溶体、金属间化合物等。 金属间化合物等。纯金属结晶析出单一 成分的单相组织， 成分的单相组织，可视作单相合金凝固的特例。 可视作单相合金凝固的特例。 多相合金是指结晶过程中同时析出两个以上新相 的合金， 的合金，如具有共晶、 如具有共晶、包晶或偏晶转变的合金。 包晶或偏晶转变的合金。 凝固过程不仅发生金属的结晶， 凝固过程不仅发生金属的结晶，还伴随有 体积的收缩和成分的重新分配， 体积的收缩和成分的重新分配，它决定液态成形 产品的组织和性能。 产品的组织和性能。本章将讨论单相合金材料凝 固过程的基本原理。 固过程的基本原理。
五、枝晶间距
• 枝晶间距：指相邻同次枝晶间的垂直距离 枝晶间距 指相邻同次枝晶间的垂直距离。 指相邻同次枝晶间的垂直距离。它是树
枝晶组织细化程度的表征。 枝晶组织细化程度的表征。实际中， 实际中，枝晶间距采用金相法 测得统计平均值， 测得统计平均值，通常采用的有一次枝晶（ 通常采用的有一次枝晶（柱状晶主干） 柱状晶主干） 间距d1、和二次分枝间距 d2 两种。 两种。
C L*
C L (X ') C0
b)
X'
x'=0
出现“成分过冷” 。
Ti
X'
界面
∂TL (x ') < ∂x '
T T 1实 实
R 1−c) K0 −DL x' TL(x') =Tm −mLC01+ e K0 成 成 成成 成
T 2实 实
T L (X ')
•
液相中只有有限扩散时形成“成分过冷”的判据