合金相图和凝固

在稳态凝固过程中，固溶体溶质分布方程为：
CS
K eC0
1
X L
Ke 1
其中Ke为有效分配系数，
Ke
(CS )i (CL ) B
K0
K0 (1 K 0 )e R / D
常数
式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数
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Ke
(CS )i (CL ) B
K0
K0 (1 K 0 )e R / D
·平衡分配系数：一定温度下，固/液两平衡相中溶质 浓度之比值 K0=Cs / CL
CS、CL：固、液相的平衡浓度
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正常凝固过程 在讨论金属合金的实际凝固问题时,一般不考虑固相内
部的原子扩散，即把凝固过程中先后析出的固相成份看作没 有变化，而仅讨论液相中的溶质原子混合均匀程度问题。以 下讨论的均为正常凝固过程。
杠杆定 律的证 明
·
5
杠杆定律： WL/W α=rb / ar
注意：杠杆定律适用于平衡结晶时的两相区。
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§2 匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织
一、相图分析 两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的系
统称为匀晶系。
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二、固溶体合金的平衡凝固及组织
平衡凝固：指合金从液态很缓慢地冷却，使合金在相 变过程中有充分时间进行组元间的互相扩散，每个 阶段都能达到平衡，达到平衡相的均匀成份。
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1.液体中溶质完全混合的情况
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·圆棒从左端至右端的宏观范围内的成分不均匀现象，称 为宏观偏析。
·圆棒离左端距离X处的溶质浓度 : CS(x)=K0C0(1-X/L)K0-1
·剩余液相的平均浓度: CL(x)=C0(1-X/L)K0-1 其中 L：合金棒长度
C0：合金的原始浓度
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2．液体中仅借扩散而混合的情况
二元合金相图及合金的凝固
§1 有关相图的基本知识 §2 匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织 §3 共晶相图及其晶合金的凝固和组织 §4 包晶相图及其合金的凝固和组织 §5 其它类型的二元合金相图 §6 Fe-C相图及铁碳合金 §7 相图的热力学知识
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·合金：由两种以上的金属和非金属熔合 （或烧结）在一起而具有金属特性的物 质。
1．成分过冷
①成分过冷的产生 设一个K0<1的合金Co在 圆棒形锭模中自左向右 作定向凝固，假定溶质 仅依靠扩散而混合
C
Co1
1 K0 K0
exp
RX D
（1）
由相图，可得界面前沿 液相线温度曲线TL（x） 假定相图的液相线为直 线，斜率为m，则液相线 随浓度变化的温度:
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② 影响成分过冷的因素 ·合金本身 m、Co越大，D越小，K0<1时K0值越小， K0>1时K0值越大。成分过冷倾向增大。
合金成分为C，总重量为W。在T温度时，由液相和固相组成, 液
相的成分为CL ，重量为WL，固相成份为C α ，重量为Wα。
则
W=WL+Wα
（1）
WL·CL+Wα·C α =W·C
（2）
由（1）、（2）可得：WL/W α=(C α-C) / (C- CL)
故 WL/W α=rb / ar
上式还可换写成：WL/W =rb / ab
Ke方程式图解
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： 圆棒离左端距离X处的溶质浓度 液体中溶质完全混合
CS(x)=K0C0(1-X/L)K0-1 ，液体中仅借扩散而混合，CS
C0
1
X L
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C0
液体中溶质部分混合 C S
K eC0
1
X L
Ke 1
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4．区域溶炼
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五、成分过冷及其对晶体成长形状铸件组织的影响
·外界条件 G越小，R越大，成分过冷倾向增大。
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2．固溶体凝固时的晶体生成
随着成分过冷的增大，固溶体晶体由平面状向胞状，树 枝晶的形态发展。在工业生产中，固溶体合金凝固时总 是形成胞状树枝晶或树枝晶
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27
28
3．成分过冷对铸锭组织的影响
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§3 共晶相图及其晶合金的凝固和组织
一、相图分析
常数
式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数
A 当凝固速度非常缓慢时， Rδ/D 0 ，Ke K0 即为液体中溶质完全混合的情况。
B．当凝固速度非常大时，e - Rδ/D
0 ， Ke=1，为液体
中溶质仅有通过扩散而混合的情况。
C．当凝固速度介于上面二者之间，
K0＜Ke＜ 1，
液体中溶质部分混合的情况。
1 4
5
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1．晶内偏析（枝晶偏析） ·定义：晶粒内部出现的成份不均匀现象。 ·通过扩散退火或均匀化退火，使异类原子互相
充分扩散均匀，可消除晶内偏析。
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晶内偏析（枝晶偏析）
2．影响晶内偏析的因素 a、·冷却速度 b、 元素的扩散能力 c、 相图上液相线与固相 d、线之间的水平距离
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四、固溶体合金凝固过程中的溶质分布
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与纯金属相比，固溶体合金凝固过程有两个特点：
·1、固溶体合金凝固时析
出的固相成分与原液相 成份不同，需成份起伏。
α晶粒的形核位置是那 些结构起伏、能量起伏 和成分起伏都满足要求 的地方。
·2、固溶体合金凝固时依
赖于异类原子的互相扩散。
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三、固溶体合金的非平衡凝固和组织
固相平均成份线
1
1 2
31
Ke=1
CS
C0
1
X L
11
C0
CL
C0 1
1 K0 K0
exp
RX D
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3．液体中溶质部分混合的情况 ① 固液边界层的溶质聚集对凝固圆棒成分的影响。
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② 初始过渡区的建立
当从固体界面输出溶质的速度等于溶质从界面层扩散 出去的速度时，则达到稳定状态，从凝固开始至建立 稳定的边界层这一段长度称为“初始过渡区”，达到 稳定状态后的凝固过程，称为稳态凝固过程。
1．线条 液相线 AE、BE
固相线 AM、BN
固溶度线（溶解度曲线） MF、NG
·合金相图：用来自百度文库的形式表明一个合金系 的成份、温度和相态之间的关系。
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§1 有关相图的基本知识 一、二元合金中存在的相
1．相
·相是一个物系中，结构相同，成分和性能均一， 并以界面相互分开的组成部分。
·相与相之间的转变称为相变。
·如果系统中各相经历很长时间而不互相转化，则 是处于平衡状态。
2．平衡相类型
·液溶体
·固溶体
·金属间化合物
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二、相律
吉布斯相律：f=c-p+2 C：系统的组元数 P：共存的平衡相数 f：自由度的数目，指给定合金系在平衡相数不变的前 提下，可独立改变（如温度、压力、浓度等）的数目。
对于不含气相的凝聚系统，可视为恒压条件，相律表 述为：
f=C－P+1
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三、二元相图的表示和杠杆定律