金属凝固理论-3-单相合金的凝固

13.单相合金的凝固《金属凝固与连铸》本科课程金属凝固理论部分—龙木军重庆大学材料科学与工程学院2014年9月23.1凝固过程的溶质再分配3.2金属凝固过程中的“成分过冷”3.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响本章内容33.1凝固过程的溶质再分配本节内容3.1.1平衡凝固条件下的溶质分配3.1.2液相中完全混合的溶质分配3.1.3液相中有对流作用的溶质再分配3.1.4液相中只有扩散的溶质再分配3.1.5四种单相凝固条件下的溶质分配情况4只有在平衡凝固条件下，才能得到成分均匀的组织。实际凝固过程为非平衡凝固，溶质的扩散系数只有温度扩散系数的10-3~10-5，在固相中的扩散系数更小。液体温度下降的速度以及液相中溶质的扩散条件的变化必然导致在液体中形成不同的溶质分布——溶质再分配。3.1凝固过程的溶质再分配53.1凝固过程的溶质再分配固相液相CSCL0SLCKC=|1-k0|常被称为“偏析系数”开口越大偏析越严重63.1凝固过程的溶质再分配固相液相CSCL液相中溶质分布？完全混合对流作用扩散作用平衡凝固73.1凝固过程的溶质再分配3.1.1平衡凝固条件下的溶质分配00CffCfCfCLSLLSS=+=+)(83.1凝固过程的溶质再分配3.1.2液相中完全混合的溶质分配A1=A2+A3A1A3A2()-LSsCCLdf∗=()112sLSSLfdCdCδ∗−+93.1凝固过程的溶质再分配3.1.2液相中完全混合的溶质分配0(1)00(1)kSSCkCf−∗=−0(1)0kLLCCf−∗=固相无扩散103.1凝固过程的溶质再分配3.1.3液相中有对流作用的溶质再分配固相成分CS*在δN及晶体长大速度v一定的情况下也将保持一定，是小于C0的一个数值。022=′+′xddCxdCdDLLLυ搅拌对流越强，δN越小，CS*越小，晶体长大速度v越大，CS*越趋向于C0。113.1凝固过程的溶质再分配3.1.3液相中有对流作用的溶质再分配kE=k0：即慢生长速度和最大的搅动对流，δN很小时，这相当于前面讨论的液相完全混合的情况。kE=1：即快生长速度凝固、或没有任何对流，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。0000(1)NLSERDCkkCkkeδ∗−==+−123.1凝固过程的溶质再分配3.1.4液相中只有扩散的溶质再分配溶质向液相中扩散而远离界面，但是扩散不充分，以致在界面附近有所积累，使该处浓度大于C0；00011LRDLxkCCek−′−=+凝固稳定状态阶段富集层溶质分布规律（指数衰减曲线）：133.1凝固过程的溶质再分配3.1.4液相中只有扩散的溶质再分配A1=A2143.1凝固过程的溶质再分配3.1.4液相中只有扩散的溶质再分配稳定态时的液相溶质成分CL受晶体长大速度V的影响，因此，会对固相成分发生影响。在稳定状态下，凝固速度的减小，使固相局部地区溶质贫乏；凝固速度的增大，使固相局部地区的溶质富集；富集区溶质浓度最大值,随凝固速度变化的增大而增大；贫乏区中溶质最低含量随凝固速度变化(V2/V1)的增大而变更低。153.1凝固过程的溶质再分配3.1.4液相中只有扩散的溶质再分配163.1凝固过程的溶质再分配3.1.5四种单相凝固条件下的溶质分配情况173.2金属凝固过程中的“成分过冷”本节内容3.2.1成分过冷的概念3.2.2成分过冷的条件及判据3.2.3成分过冷的过冷度183.2金属凝固过程的“成分过冷”过冷：成分过冷：3.2.1成分过冷的概念金属理论凝固温度与实际温度之差。凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变而在液固界面前液相内形成的过冷。193.2金属凝固过程的“成分过冷”3.2.1成分过冷的概念x’T液相实际温度变化后的TL固液界面处的TL成分过冷区固液界面203.2金属凝固过程的“成分过冷”3.2.2成分过冷的条件及判据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）小于液相线的斜率时，即：'0()'LLxTxGx=′∂∂213.2金属凝固过程的“成分过冷”3.2.2成分过冷的条件及判据mL大，即陡的液相线斜率；原始成分浓度高，C0大；液相中溶质扩散系数DL低；k0＜1时，k0小；液相中温度梯度小（GL小）；晶体生长速度快，v大。有助于“成分过冷”的条件：工艺因素材料因素x’T液相实际温度变化后的TL成分过冷区固液界面v223.2金属凝固过程的“成分过冷”3.2.3成分过冷的过冷度成分过冷的过冷度可表示为：其中：qLTTT−=∆xGTTLiq′+=LLmLCmTT−=()xGekkCmTLDxvLL′−−−=∆′−11000可得成分过冷的过冷度为：同样，将成分过冷度对界面位置x’求导可以得到过冷度最大的位置及此时的过冷度的极值。233.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响本节内容3.3.1固-液界面的形貌3.3.2“成分过冷”对晶体形貌的影响规律3.3.3成分过冷作用下的胞状组织3.3.4较宽成分过冷作用下的枝晶生长3.3.5自由树枝晶的生长3.3.6枝晶间距243.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响3.3.1固-液界面的形貌由于扰动因素，固-液界面形貌成正弦波形。253.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响3.3.1固-液界面的形貌正温度梯度负温度梯度263.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响3.3.2“成分过冷”对晶体形貌的影响规律无“成分过冷”“成分过冷”273.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响3.3.2“成分过冷”对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)283.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响28a)不同的成分过冷情况b)无成分过冷平面晶C)窄成分过冷区间胞状晶d)成分过冷区间较宽柱状树枝晶e)宽成分过冷内部等轴晶293.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响胞状界面的成分过冷区的宽度约在0.0l一0.1cm之间，随着成分过冷的变化，胞晶形态不一样。沟槽不规则的胞状界面狭长的胞状界面规则胞状态胞状晶的生长方向垂直于固-液界面（与热流相反与晶体学取向无关）。3.3.3成分过冷作用下的胞状组织303.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响3.3.4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）在成分过冷区足够大时，二次枝晶上长出“三次枝晶”313.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响3.3.5自由树枝晶的生长界面前成分过冷的极大值大于熔体中非均质形核所需的过冷度时，在柱状枝晶生长的同时，前方熔体内发生非均质形核过程，并在过冷熔体中的自由生长，形成了方向各异的等轴晶（自由树枝晶）。等轴枝晶的存在阻止了柱状晶区的单向延伸，此后的结晶过程便是等轴晶区不断向液体内部推进的过程。323.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响3.3.5自由树枝晶的生长不等轴自由树枝晶（两维）生长过程。纯镍等轴树枝晶长大过程333.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响3.3.5自由树枝晶的生长外生生长：晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式。平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。内生生长：等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式。343.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响3.3.6枝晶间距一次晶间距,d1二次晶间距,d2显微缩松、夹杂物细小且分散成分趋于均匀化细晶强化效果显著热裂纹倾向小枝晶间距小353.3“成分过冷”对单相合金结晶形态的影响3.3.6枝晶间距KurzFisher,1986()0.25010.250.2504.3()LLTTDdkVGΦ∆⋅⋅Γ=⋅⋅31)(5.52ftMd⋅=*0*/0ln(1)()LLLLCDCMmkCCΦ⋅Γ⋅=−−一次晶间距二次晶间距约100um约200um36TheEnd.