单相合金与多相合金的凝固课件.ppt

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1、Chapter4Solidificationofsingle-phaseandmulti-phasealloys第四章单相合金与多相合金的凝固凝固过程中的传质基本原理传质控制方程：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物质的质量通量密度，kg/(m2.s)JA--体系中A物质的摩尔通量密度，mol/(m2.s)一维稳态分子扩散：质量传递的动力是什么？§4-1单相合金的凝固一、凝固过程中的溶质再分配1、起因：同一温度下的固相与液相溶质的溶解度不同。溶质分配系数：C0二平

2、衡凝固时溶质的再分配固相与液相中溶质扩散充分进行。平衡凝固时固相和液相的溶质浓度：1、固相无扩散，液相均匀混合三、近平衡凝固时的溶质再分配(b)凝固开始，(c)T*、fs时，(d)凝固末期固相内成分不均匀——晶内偏析2、固相无扩散，液相只有有限扩散而无对流起始瞬态稳定态终止瞬态张承甫等，凝固理论与凝固技术，1985凝固进入稳定状态时，式中为离开界面的距离，DL为溶质在液相中的扩散系数，R为界面推进速度。结合边界条件有通解和特解分别为：（4-15）称作“特性距离”3、固相无扩散，液相有对流(a)液相容积足够

3、大；(b)液相容积有限如果液相容积很大，则扩散层以外液相中的溶质浓度接近合金原始。扩散层δ内溶质扩散场可用下式描述:将边界条件代入，得到：δ上式两边同减C0，得到界面前液相内溶质浓度分布方程δ(4-16)如果液相容积有限，则溶质富集层δ以外的液相成分，在凝固过程中将不再维持原始合金成分C0值不变而是逐渐提高。用表示溶质富集层δ以外的液相平均溶质浓度，则(4-17)搅拌对流愈强：δ越小，越小，即固相的溶质越少生长速度愈大：R越大，越接近于C0，四、成分过冷1、溶质富集引起界面前液体凝固温度（熔点、液相线温度

4、）变化。合金原始成分C0，平衡结晶温度T0，液相线斜率mLmLCx随距离x变化，液相中只有扩散时：x=0时，x=∞时，mL或Ti2、成分过冷的形成——内因＋外因（冷却速度，G）成分过冷度（动力学过冷度ΔTK很小，可忽略时）：GL为外界冷却引起的温度梯度(实际温度直线的斜率)mLTi成分过冷的条件：影响成分过冷区宽度和过冷度大小的因素：工艺因素：GL,R合金本身的因素：DL,mL,k,C03、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，

5、将不能保持平面。(b)无溶质再分配的界面前过冷情况©有成分过冷五、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平面生长的条件：图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。2、窄成分过冷区的胞状生长图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Al-0.1Cu合金凝固横截面组织G/R＝4.5×104(K

6、·sec/cm2)Al-0.1Cu,G/R＝0.42×104(K·sec/cm2)合金定向凝固组织a)纵向b)横向3、较宽成分过冷区的柱状树枝晶生长图柱状枝晶生长过程图5-5胞状生长向枝晶生长的转变4、宽成分过冷区的自由树枝晶生长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）5、树枝晶的生长方向和枝晶间距（1）立方晶系<100>晶向生长密排六方为（1010）方向生长体心立方为<110>晶向图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（2）枝晶间距取决于潜热的散

7、热条件，即冷却速度一次枝晶间距：二次枝晶间距：或图5-9C0、GL/R对单相合金晶体形貌的影响R30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。一、共晶组织的分类及特点二、共晶组织的形成机理§4-2共晶合金的结晶31（一）规则共晶与非规则共晶（二）非平衡状态下的共晶共生区（三）离异生长及离异共晶一、共晶组织的分类及特点32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

8、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—光滑界面光滑—光滑界面（一）规则共晶与非规则共晶33金属-金属共晶及金属-金属间化合物共晶多为第Ⅰ类共晶，其典型的显微形态是有规则的层片状，或其中有一相为棒状，因此称为“规则共晶”。规则共晶长大时，两相彼此紧密相连，相互依赖生长，两相前方的液体区域中存在溶质的运动。这种长大方式称之为“共生生长”。粗糙-粗糙界面（非小晶面-非