第五章多相合金的凝固

第五章多相合金的凝固概述金属-金属共晶凝固金属-非金属共晶凝固偏晶合金的凝固包晶合金的凝固PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建一、共晶组织的分类第一节概述以熔融熵值的大小为依据把共晶分为规则共晶和非规则共晶。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建规则共晶（即金属-金属共晶）属于非小平面共晶.凡熔融熵者为非小平面相。规则共晶的形态又可分为层片状和棒状两种，通常共晶中某一相体积分数小于时，容易出现棒状结构。非规则共晶（即金属-非金属共晶）属于小平面共晶，凡熔融熵者为小平面相。非规则共晶的形态也可简化为片状与丝状两大类。小平面相晶体的长大具有各向异性的特点，其长大具有很强的方向性，小平面相在共晶中的体积分数对共晶形貌有着很大的影响。一、共晶组织的分类4fSRΔ4fSRΔ1pfjPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建一、共晶组织的分类PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建一、共晶组织的分类PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建一、共晶组织的分类PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建一、共晶组织的分类图5-3共晶中小平面相体积分数与溶解熵A—规则层片B—规则棒状C—非规则分枝层片D—紊乱层片E—复杂规则结构F—准规则结构G—非规则丝状结构当φf10%时（图5-3中C区），组织为破断的层状结构；当φf在10~20%之间时（图5-3中D区），共晶组织为不规则的片状结构；当φf在20~35%之间时（图5-3中E区），共晶组织为复杂的规则结构；当φf40%时（图5-3中F区），共晶组织为准规则结构。在溶解熵值大于23J/(mol·K)的非规则共晶中：PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建从相图可知，在平衡条件下，共晶反应只发生在一个固定成分的合金下，任何偏离这一成分的合金都不能获得百分百的共晶组织。从热力学观点看，在非平衡凝固条件下，具有共晶型的合金，当快冷到两条液相线的延长线所包围的范围时，即使是非共晶成分的合金也可以得到百分百的伪共晶组织。二、非平衡状态下的共晶共生区PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建所示，图中影线部分为共晶共生区。共生区规定了共晶稳定生长的温度和成分范围，超过这个范围，组织将变为亚共晶或过共晶。二、非平衡状态下的共晶共生区PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建对于金属-非金属共晶，其共生区通常是非对称的，如图5-11，其相图上的共晶点靠近金属组元一方，共晶共生区偏向非金属一方。二、非平衡状态下的共晶共生区PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建二、非平衡状态下的共晶共生区共晶共生区的形状决非象图5-10及图5-11那样简单，它的多样性取决于液相的温度梯度、初生相以及共晶的长大速度与温度的关系。图5-12中的阴影部分为G0时的铁砧式对称型金属-金属共晶共生区。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建二、非平衡状态下的共晶共生区从图中可以看出两个不同类型的共生区，它们的差别在于在大的过冷度下，金属-非金属共晶的生长被抑制，取代它的是单相的金属相在富非金属组元的合金中形成，其原因可以理解为，共晶中的小晶面相长大时的各向异性及晶体进行分枝，在过冷度较大的情况下，在特定晶向上的长大及分枝难以进行。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建多数的金属-金属共晶其长大速度在四周各个方向上是均一的，因此它具有球形长大的前沿，而在共晶组织内部两相之间却是层片状的。这是就说在非方向性凝固的情况下，共晶体是以球形方式长大，而球形的结构是由两相的层片所组成，并且向外散射。球的中心有一个核心，它是两相中的一相，起着一个共晶结晶核心的作用。第二节金属-金属共晶的凝固一、层状共晶的生长1.形核与长大PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶的稳定态长大及固-液界面曲率PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶的稳定态长大及固-液界面曲率PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶的稳定态长大及固-液界面曲率PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶的稳定态长大及固-液界面曲率PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶的稳定态长大及固-液界面曲率PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶的稳定态长大及固-液界面曲率PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建前面所计算的曲率半径，它考虑的仅只是α相及其平衡的液相这一孤立系统，事实上在进行共晶结晶时，在α相和β相交界处，是α相、β相、液相三者处于平衡状态。2、共晶的稳定态长大及固-液界面曲率PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建⎪⎩⎪⎨⎧=+==+212121sinsincoscosqsqsqsqssqqqbabaabLLLLLLLcoscosaabbassqqqqss22121===，上式可以简化为＝，则如果在平衡条件下：2、共晶的稳定态长大及固-液界面曲率PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建图中的几何关系可得：以简化分析步骤，则由数，相）界面的曲率均为常相（或又假定barrL4242coslsslqaab==故有：之间的关系。相界面张力、及、固－液界面张力与层片厚度径相的曲率半相界面处与上式表达了abasbaslabaLr2、共晶的稳定态长大及固-液界面曲率PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、固-液界面前沿液相成分分布PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、固-液界面前沿液相成分分布PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、固-液界面前沿液相成分分布PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建在固-液界面前沿，溶质富集程度与成正比，这里由于该值越大则与或与之差越大，因此在共晶凝固时排挤出来的溶质越多界面前沿富集的也就越多。同样，长大速度R越大时，溶质来不及扩散走将在界面前沿富集较多的溶质。()mmCCba-ECmCaECmCb3、固-液界面前沿液相成分分布PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶层片间距式中A、B为常数，此即表示了共晶片间距λ、过冷度ΔT、生长速度R三者之间的关系。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶层片间距图5-21PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶层片间距从图5-21可知，在长大速度R一定时，除m点外，同样的过冷度会有两个层片间距，这在实际上是不可能的，因为一个长大速度后R与之对应的只有一个层片间距。片间距过小时，由于相间面积增加，使界面能增加；片间距过大时，在层片中央前沿的液体由于扩散距离较过，富集了大量的溶质原子，从面迫使这里的固-液界面曲率半径出现负值，形成凹袋，并逐渐向界面的反向延伸，直到在这里产生另一相为止。也样也就自动地调整了层片间距。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶层片间距总之，一个长大速度，只有一个最小过冷度与之对应。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建在纯的共晶合金的稳定态长大中，每个相的成长将排挤出另外一个组元，并在固-液界面前沿造成溶质富集区，该富集区的厚度较窄，仅是层片厚度数量级，它们对于横向扩散造成一定的浓度梯度，这对共晶两相的同时长大是必要的，它可以保证共晶的稳定界面是平面界面，而且并不形成“成分过冷”区。o如果有第三组元的存在，而且它在共晶两相中的k0小于1，则在共晶长大时两相均将第三组元排至液相中，并在界面前沿造成堆积，其堆积的厚度较宽，如果液相中的温度梯度较小，则在界面附近将出现“成分过冷”区。此时，平面的共晶界面将变为类似于单相合金凝固时的胞状结构。共晶中的胞状结构通常称为集群结构。o当第三组元的溶质浓度较大，或在大的凝固速度情况下，胞状共晶将发展为树枝状共晶。5、不纯物的影响PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建在α、β两相间界面张力相同的情况下，如果共晶中的一相体积含量相对于另一相低时，倾向于形成棒状共晶；当两相体积含量相接近时，倾向于形成片状共晶。二、棒状共晶生长在金属-金属共晶组织中，除层片结构外，还有棒状结构。究竟是哪种结构出现，要取决于共晶中α与β相间的体积比以及第三组元的存在这样两个因素。1、共晶中两相体积分数的影响PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、共晶中两相体积分数的影响PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建当第三组元在共晶两相中的分配系数相差较大时，其在某一相的固-液界面前沿的富集交阻碍该相的继续长大；而另一相的固-液前沿由于第三组元富集较少，其长大速度较快。这样，由于搭桥作用，落后的一相将被长大快的一相分隔成筛网状组织，继续发展，即成棒状组织。通常可以看到共晶晶粒内部为层片状，而在共晶晶粒交界处为棒状，其原因就在于：在共晶晶粒之间，第三组元定富集的浓度较大，从而造成其在共晶两相中分配系数的差别，导致在某一固相前沿出现了“成分过冷”。2、第三组元对共晶结构的影响PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、第三组元对共晶结构的影响PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、两种长大方式PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建金属-非金属共晶的两种长大模型：o合作长大。按这种长大模型，当一个非金属晶体由于缺乏非金属原子供应而停止长大时，它可以通过孪生或形成亚晶界（小角度晶界）将长大方向改变到非金属原子富集区，这样就产生了非金属晶体的分枝。当长大按照这种模型进行时，非金属相内部是相连的。o重新形核长大。按照这种模型两个非金属晶体相对长大会聚时，将导致一个或两个晶体长大的停止，而新的晶核将在非金属原子富集区重新形成，在这种情况下，非金属晶体将是不相连的。2、两种长大模型PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、两种长大模型PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、两种长大模型PDF文件使用pdfFactoryPro试用