材料成形原理------华科---第4章-单相与多相合金的凝固

PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形第四章单相和多相合金的凝固PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形2传质控制方程：)(222222zcycxcDtcAAAABA菲克第二定律：（非稳态、无总体流动、无化学反应）菲克第一定律：JA--体系中A物质在扩散场某处的扩散通量mol/(m2.s)，或扩散强度概念：单相合金——固溶体、金属间化合物，纯金属多相合金——共晶，包晶，偏晶反应生成xcDJAABAdd一维扩散时：22xcDtcAABAPrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形3§4.1单相合金的凝固4.1.1凝固过程的溶质再分配起因：同一温度下的固相与液相溶质的溶解度不同。PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形41.溶质平衡分配系数PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形52.平衡凝固时溶质的再分配固相与液相中溶质扩散均充分进行。平衡凝固时溶质浓度：PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形6平衡凝固时溶质的再分配仅取决于热力学参数K0，与动力学无关。凝固过程虽然存在溶质再分配，但凝固终了时，固相的成分仍为原始成分C0PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形7*0*0000ln(1)ln(1)ln0,SSsSCkfDfkCDkC时,C***d)1(d)(LSSSLCffCC0**0**ddkCCkCCSLSLSSSSffkCC1d)1(d0**10*100*00)1(kLLkSSfCCfCkCScheil公式---非平衡凝固杠杆定律固相无扩散，液相均匀混合3.近平衡结晶时溶质的再分配C0PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形84.1.2成分过冷几个概念：温度梯度热过冷成分过冷PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形9成分过冷——溶质富集引起界面前液体凝固温度（熔点、液相线温度）变化合金原始成分C0，平衡结晶温度Tm（T0），液相线斜率m0mxxTTmCC0()xmxxxTTmCCTC为成分对应的液相线温度1、成分过冷的判据PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形10成分过冷的条件：（液相部分混合）0()LLxdTxGdx01LLLmCGkRDk液相只有扩散时：LDRLLLeKKDCm00L11＜RG（通式）TxPrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形11由判据可见，下列条件有助于形成“成分过冷”：液相中温度梯度小（GL小）；晶体生长速度快，R大；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；K0＞1时，K0大000L)1(＜RGKKDCmLL工艺因素材料因素产生成分过冷的条件：固液界面前沿溶质富集，产生溶质再分配固液界面前方液相的实际温度梯度GL符合一定条件。PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形122、成分过冷的本质（1）溶质富集使平衡结晶温度大为降低，减小了实际过冷度，甚至阻碍晶体生长。（2）成分过冷使界面不稳定，将不能保持平面。(b)无溶质再分配的界面前过冷情况©有成分过冷PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形13纯金属液相在正温度梯度的区域内晶体生长的凝固界面通常为平直形态，其温度低于平衡熔点温度Tm，过冷度ΔTk提供凝固所必须的动力学驱动力，称为“动力学过冷”。ΔTkTm界面LSGLGS3热过冷及其对纯金属液固界面形态的影响PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形14当界面液相一侧形成负温度梯度时纯金属界面前方获得大于ΔTk的过冷度。这种仅由熔体存在的负温度梯度所造成的过冷，习惯上称为“热过冷”。纯金属在负温度梯度下可发展为树枝晶。界面~Tm-ΔTkLSGLGSPrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形154、成分过冷对单相合金凝固过程的影响1）无成分过冷的平面生长01LLLmCGkRDk平面生长的条件：T2T1GL(a)局部不稳定界面SΔTKTL(x)dTL(x)/dxx=0GSL(b)最终稳定界面SL界面前方无成分过冷时平面生长a）局部不稳定界面b）最终稳定界面，获得成分完全均匀的柱状晶或单晶体PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形16Al-0.1Cu,G/R＝4.5×104(K·sec/cm2)右图：Al-0.1Cu,G/R＝0.42×104(K·sec/cm2)（纵向、横向）01LLLmCGkRDk01LLLmCGkRDkPrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形17稳定界面的推进速率即晶体的生长速率R可由界面上热平衡方程导出：所以：式中λS，λL—固、液两相的导热系数；ρ，L—合金的密度和结晶潜热。SSLLGGRLSSLLGGRLPrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形182）窄成分过冷区的胞状生长01LLLmCGkRDkT2T1GL(a)SΔTKTL(x)dTL(x)/dxx=0GSL(b)SL(c)溶质汇集区图a）窄成分过冷区的形成b）平界面在成分过冷作用下失去稳定c）稳定的胞状界面形态的形成PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形19CBr4(ΔS/R=1.27)由平面到胞状的转变（a)平面生长（b)胞状生长PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形20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）。胞状晶可认为是一种亚结构。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，发生：PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形213）较宽成分过冷区的柱状树枝晶生长T2T1GLSΔTKTL(x)dTL(x)/dxx=0GSLSLSL图柱状枝晶生长过程PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形22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”PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形234）宽成分过冷区的自由树枝晶生长T2T1GLSΔTKTL(x)dTL(x)/dxx=0GSLSLΔT*mΔTcm图从柱状枝晶的外生生长转变为等轴枝晶的内生生长枝状晶＋自由树枝晶（等轴晶）PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形241、自由树枝晶形成条件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）。几个问题：T2T1GLSΔTKTL(x)dTL(x)/dxx=0GSLSLΔT*mΔTcmPrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形252、为什么成为树枝晶的形态晶体的表面总是由界面能较小的晶面组成，宽而平的面是界面能小的晶面，而棱与角的狭面为界面能大的晶面。界面能大的晶面（垂直）生长速度较快，长成等轴树枝晶。方向性较强的非金属晶体，其平衡态的晶体形貌具有清晰的多面体结构；方向性较弱的金属晶体，其平衡态近乎球形。在近平衡状态下，多面体的棱角前沿液相中的溶质浓度梯度较大，扩散速度快，而大平面前沿溶质浓度梯度小，扩散速度慢，因此棱角处晶体长大快，而平面处小，近球形多面体逐渐长成星形。PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形26PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形273、“外生生长”与“内生生长”的概念晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生生长”。平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形285）树枝晶的生长方向和枝晶间距立方晶系100晶向生长密排六方为（）方向生长体心立方为110晶向a)b)(110)(110)(111)(111)100(111)(111)(110)100(111)100(111)100图5-8立方晶系枝晶的生长方向a）小平面生长b）非小平面生长1010PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形29枝晶间距：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。实际中，枝晶间距采用金相法测得统计平均值，通常采用的有一次枝晶（柱状晶主干）间距d1、和二次分枝间距d2两种。材料性能好热裂纹倾向小分散显微缩松、夹杂物细小、成分趋于均匀化细晶强化效果显著枝晶间距小PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形30枝晶间距的预测一次臂间距d1的表达式：二次臂枝晶间距d2的表达式：210001])1([RGDKCmadLLL2141)1(6401LLLGRCKDmd冈本平HuntJ.DR与GL的乘积相当于冷却速度（oC/sec）。冷却速度大，二次臂枝晶间距d2越小。微量变质元素（如稀土）影响合金CL、k0、σsl，也可使二次臂枝晶间距d2减小。31)(2LSGRTAd△TS—非平衡凝固的温度区间，A—与合金性质相关的常数T2T1GLSΔTKTL(x)dTL(x)/dxx=0GSLSLΔT*mΔTcmPrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形31合金固溶体凝固时的晶体生长形态a)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PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形32平面晶是溶质浓度C0=0的特殊情况。溶质浓度一定时，随着GL的减小和v的增大；或GL和V一定时，随着C0的增大，晶体形貌由平面晶依次转变成胞状晶、胞状树枝晶、柱状树枝晶和等轴树枝晶。RPrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形33大部分合金存在着两个或两个以上的相，多相合金的凝固比单相固溶体的凝固情况复杂。本节讨论最为普遍的共晶合金凝固方式及组织。共晶组织的分类及特点共晶组织的形成机理§4.2共晶合金的凝固PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形34一、共晶组织的特点及共晶合金的分类规则共晶与非规则共晶宏观特征：平面晶、胞状晶、柱状晶、等轴晶等微观组织：两相析出物的形状与分布，规则和非规则。共晶组织PrincipleofMaterialsForming材料成型原理——液态成形35规则共晶：金属—金属，如:Pb-Sn，Ag-Cu层片状共晶金属—金属间化合物，如:Al-Al3Ni棒状共晶非规则共晶金属—非金属，如:Fe-C,Al-Si共晶非金属—非金属，如:琥珀睛-茨醇共晶粗糙－粗糙界面粗糙—光滑