固溶体合金的结晶

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1、§6-2固溶体合金的结晶纯金属小液滴的结晶是在排除温度场和浓度场的条件下研究相变的条件、规律及相变行为和产物，着重对相变基本理论方面的探讨。但生产中应用的各种材料大多数是二元或多元系，其结晶过程中都不同程度地存在温度场和浓度场（溶质或杂质等）的作用。本节就单相固溶体合金的结晶过程中温度及浓度因素对相变行为及组织的影响进行探讨。一、非平衡态的结晶固溶体的凝固依赖于组元的扩散，要达到平衡凝固，必须有足够的时间使扩散进行充分。在工业生产中，合金熔液浇注后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡结晶（非平衡凝固

2、）。1.平衡结晶指合金从液态很缓慢地冷却，使合金在相变过程中有充分时间进行组元间的互相扩散，每个阶段都能达到平衡，达到平衡相的均匀成份。以Cu-Ni合金为例w(Ni)=70%液态自高温冷却，与液相线交与1点时开始结晶，c点为固相成分点；冷到T1时，液、固相成分分别为a1、c1，用杠杆定律可算出两相相对量；冷到T2时，此时固相成分为原合金成分；当温度低于2点时，形成单相α。平衡结晶时，随着温度下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化。与纯金属相比，固溶体合金凝固过程有两个特点：1、固溶体合金凝固时析出的固相成分与原液相成份不同，需成份起伏。α

3、晶粒的形核位置是那些结构起伏、能量起伏和成分起伏都满足要求的地方。2、固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散。2.不平衡结晶固溶体的凝固依赖于组元的扩散。在工业生产中，合金熔液浇注后冷速较快，使相内扩散不能充分进行，偏离了平衡条件。液、固两相的成分将偏离平衡相图中的液相线和固相线。由于固相内扩散较液相内组元扩散慢得多，故偏离固相线的程度大。将每一温度下固相和液相的平均成分点连接起来，分别得到虚线α1’α2’α3’α4’和L1’L2’L3’L4’,分别称为固、液相平均成分线。不平衡结晶过程各相成分变化及组织变化示意图a)成分变化b)组织变化非平衡凝

4、固的特点有：凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线；凝固过程进行到一更低的温度才能完成；生成固体的成分是不均匀的。随着冷却速度的增大，这些特点表现的愈明显。固溶体通常以树枝状生长方式结晶。非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝晶间的成分不同，称枝晶偏析（晶内偏析）。枝晶偏析是非平衡结晶的产物，热力学上是不稳定的，可通过“扩散退火”消除，即在固相线以下较高温度经过长时间保温，使原子扩散充分，达到成分均匀，使之转变为平衡组织。固溶体合金在不平衡结晶时所形成的晶内偏析是属于一个晶粒范围内枝干（晶轴）与枝晶的微观偏析。此外，固溶体合金在不平衡凝固时还往

5、往造成宏观偏析和区域偏析，即大范围内化学成分不均匀现象。二、固溶体合金结晶时溶质的重新分布1.讨论条件(1)平衡凝固时各温度下两相溶质都达到均匀化，此时固相内溶质浓度CS，液相内溶质浓度CL，k0=CS/CLk0平衡分配系数：一定温度下，固/液两平衡相中溶质浓度之比值。两种k0的合金相图一角a)k0<1；b)k0>1B,%B,%近似认为固、液相线均为直线，k0恒定。(2)不考虑非平衡冷却情况，液、固相界面处始终保持局部平衡，即相界面处由液相生成的固相成分由CS=k0CL确定。(3)不考虑固相内的扩散。在各温度下按(CS)i=k0(CL)i关系生成的

6、固相成分在随后冷却中保持不变。而相界面处液相的浓度(CL)i取决于液相内溶质的混合状态。合金凝固过程中液相内溶质混合状态分3种类型。将成分为C0的单相固溶体合金的熔液置于圆棒形锭子内由向右进行定向凝固。水平圆棒的凝固2.液相内溶质可充分均匀混合凝固速度缓慢，液相内溶质中通过的对流、扩散和扩散可充分混合使成分均匀化。冷凝过程中液相成分沿液相线变化，局部平衡时，(CS)i=k0(CL)i，在随后冷却中保持不变。圆棒从左到右产生显著浓度差。在k0<1时，如果合金圆棒自左向右凝固，则左端获得纯化，溶质富集于右端。且k0越小，此效应越显著。剩余液相的平均浓度

7、:圆棒离左端距离Z处的溶质浓度:其中L：合金棒长度C0：合金的原始浓度k0:平衡分配系数液相内溶质充分均匀混合3.液相内溶质仅靠扩散混合当凝固速度较大时，液相无搅拌、对流而只有扩散时，则凝固时从固相中排出的溶质原子不能均匀分布在液相中，而在液－固界面处液相一侧堆积，凝固过程中溶质原子的变化分三个阶段：(1)起始瞬态(Ⅰ)凝固开始，液相成分C0，固相成分K0C0，冷却中，界面处两相局部平衡，液相成分不均匀，界面处有局部平衡成分CL，远离界面保持母相成分CO。(2)稳态生长(Ⅱ)当界面前沿液相成分达到C0/k0，固相成分保持C0；此时由固相中排出的溶质

8、量与从界面处液相中扩散开去的溶质量相等，界面处两相成分不变，达到稳定状态。则稳态边界层内溶质的分布为:R：凝固速度；D：扩