合金的凝固特点和性质

T M
T
S C =C S0
C*
C% L C*
S
界面
T
T实 1
际
m
a)
L
C *=C /k
L
00
C (X ') L
C%
b)
C 0
T 实际 2 T (X ') L
X'
c)
界面
出现“成分过冷” 。
成 分 过冷 区 Ti
X'
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成分过冷：结晶时，固液界面前方某一区域内， 液体的实际温度低于平衡结晶温度，即该部分液 体处于过冷状态，这种过冷是结晶过程中由液相 中的溶质分布变化（溶质再分配）引起的，称为 成分过冷。
T m a m x L C 0 K ( 1 0 K 0 ) G L R D L [ 1 lR n m G L L C D 0 L ( 1 K 0 K 0 )]
“成分过冷”出现的区域宽度：
X2R DLmLC 20k(1 0G k0 L 2 D )R2
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5.3 “成分过冷”对单相固溶体合金结晶 形态的影响
合金的凝固特点和性质
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主要内容
5.1 凝固过程溶质再分配 5.2 合金凝固界面前沿的成分过冷 5.3“成分过冷”对单相固溶体结晶形态的影响 5.4 共晶合金的凝固 5.5 包晶合金的凝固
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5.1 凝固过程溶质再分配
由于合金在结晶过程中，析出固相的溶质含量不同于液 相，而使固—液界面前的液体溶质富集或贫化的现象，称为
接着凝固时由于固相中无扩散，
成分沿斜线由K0C0逐渐上升。
凝固过程中固－液界面上的成 分为（Scheil公式 ）：
C S K 0 C 0(1 fS)(K 0 1 )
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随着固相分数（fs）增加，凝固
界面上固、液相中的溶质含量均 增加，因此已经凝固固相的平均 成分比平衡的要低。 当温度达到平衡的固相线时，势 必仍保留一定的液相，甚至达到
一、“成分过冷”对合金固溶体晶体形貌的影响规 律
二、成分过冷作用下的胞状组织的形成及其形貌 三、较宽成分过冷作用下的枝晶生长 四、自由树枝晶的生长 五、枝晶间距
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一、“成分过冷”对合金固溶体 晶体形貌的影响规律
随“成分过冷”程度增大， 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)
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凝固过程中( T = T* ) ：CS Cs CL CL
6
凝固终了时，固相成分均匀地为: CS = C0
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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，而在液相中充分混合均匀。 起始凝固时：
C S = K 0C 0 ，C L = C 0
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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。
热过冷：结晶时，固液界面前方的过冷度完全取 决于液体中的温度分布，这种过冷称为“热过 冷”。
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“成分过冷” 判据
液相中只有有限扩散时形成“成分过冷”的判
据
GL＜mLC0 (1K0)
R DL K0
液相部分混合时形成“成分过冷”的判据
GL ＜mLCL
1
R
DL
K0 eDRLN
1K0
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由判据
GL＜mLC0 (1K0) R DL K0
液相部分混合达稳态时C*s及C*L值：
CL
K0
C0 (1K0)eD RLN
CS C0
K0
K0 (1K0)eD RLN
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令
KE
C
S
C0
为有效分配系数，
KE 与平衡分配系数 K0 的关系：
KE
K0
K0 (1K0)eD R LN
KE = K0 ：发生在 R N ＜＜1 时，即慢生长速度和最大的搅动对流，
可见，下列条件有助于
形成“成分过冷”：
液相中温度梯度小（G L小）； 晶体生长速度快（R大）；
工艺因素
液相线斜率大（ m L大）；
原始成分浓度高（C 0大）；
液相中溶质扩散系数 小（D L小）； K 0＜1 时，K 0 越小，成分过冷度越大。
材料因素
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二、“成分过冷”的过冷度
以液相只有扩散的情况为例： “成分过冷”区的最大过冷度：
溶质再分配。 一、平衡凝固 二、液相充分混合均匀 三、液相只有有限扩散 四、液相中部分混合（有对流作用）
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一、平衡凝固条件下的溶质再分配
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
的平衡成分，即固、液相中成分均能及时充分扩散均匀。
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开始（ T=TL）时： CS = K0C0 CL= C0
液相充分大时边界层宽度 δN 内任意一点 x΄液相成分 ：
R X
CL CL
C0 C0
1e DL
1 1
R
e DL
N
当液相不是充分大 时：
R X
CL CL 11e DL
CL CL
1 eD RN
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在部分混合情况下，固-液界面处的液相中存在一扩散边界 层，在边界层内只靠扩散传质（静止无对流），在边界层以外 的液相因有对流作用成分得以保持均一。
液界面前沿溶质富集越严重，曲线越陡峭。
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另外，最初过渡区的长度取决于K0、R、DL的值， K0越大、R越大或DL越小，则最初过渡区越短；最后
过渡区长度比最初过渡区的要小得多。
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四、液相中部分混合时的溶质再分配
在部分混合情况下，固-液界面处的液相中存在一扩散边界 层，在边界层内只靠扩散传质（静止无对流），在边界层以外 的液相因有对流作用成分得以保持均一。
DL
δN 很小时，这相当于前面讨论的液相完全混合的情况。
KE =1：发生在 R N ＞＞1 时，即快生长速度凝固、或没有任何对流，
DL
δN 很大的情况，这相当于液相只有扩散时的情况。
K0＜KE＜1：相当于液相部分混合(有对流)的情况，工程中常在该范围。
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四种单向凝固条件下的溶质分布情况示意图。
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5.2 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
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一、“成分过冷”条件和判据
“成分过冷”的形成条件分 析
（K0＜1 情况下) ：
→ 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）小
于G液L相线的T斜Lx(率'x时' )，x' 即0 :
共晶温度TE时仍有液相存在。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。
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三、液相有限扩散时的溶质再分配
凝固过程分三个阶段：最初过渡区 稳定态区 最后过渡区
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凝固稳定状态阶段富集层溶质分布规律
（指数衰减曲线）：
CL
C0[11KK 00
Rx e DL ]
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曲线的形状受凝固速度R、溶质在液相中的扩散系数DL、 分配系数K0影响，R越大，DL越小，K0越小，则在固-