第4章——单相及多相合金的结晶

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1、第四章单相及多相合金的结晶刘洪喜昆明理工大学材料科学与工程学院主要内容一、凝固过程溶质再分配(自学)二、合金凝固界面前沿的成分过冷三、成分过冷对合金单相固溶体结晶形态的影响四、共晶合金的凝固第一节凝固过程溶质再分配（自学）绝对平衡凝固条件下的溶质再分配固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质再分配固相无扩散而液相有限扩散的溶质再分配液相中部分混合（有对流）的溶质再分配一、绝对平衡凝固条件下的溶质再分配二、固相无扩散液相混合均匀的溶质再分配三、固相无扩散而液相有限扩散的溶质再分配凝固过程分三个阶段凝固稳定状态阶

2、段富集层溶质分布规律为：最初过渡区稳定态区最后过渡四、液相中部分混合（有对流）的溶质再分配液相部分混合达稳态时C*S及C*L值单向凝固时铸棒内溶质的分布情况第二节合金凝固界面前沿的成分过冷“成分过冷”条件和判据“成分过冷”的过冷度“成分过冷”：由于凝固过程中存在溶质再分配而引起固液界面前沿的溶质富集，导致界面前沿平衡温度发生变化而引起的过冷。会影响凝固界面的宏观形貌一、“成分过冷”条件和判据工艺因素材料因素材料因素工艺因素材料因素材料因素材料因素二、“成分过冷”的过冷度“成分过冷”的过冷度大小对于液固界

3、面前沿的凝固方式有很大影响，为此需掌握过冷度的计算。以液相只有扩散的情况为例“成分过冷”区的最大过冷度“成分过冷”出现的区域宽度“成分过冷”的最大过冷度及“成分过冷”的区域宽度是描述“成分过冷”程度的两个指标第三节成分过冷对单相固溶体结晶形态影响热过冷及其对纯金属液固界面形态的影响成分过冷对合金固溶体形貌的影响规律窄成分过冷作用下的胞状组织的形成及其形貌较宽成分过冷作用下的枝晶生长自由树枝晶的生长及枝晶间距一、热过冷及其对纯金属液—固界面形态的影响出现负温度梯度是由于液相本来在内部具有较大过冷度，在界面

4、向前推移结晶时发出潜热，使界面处温度升高而导致负温度梯度二、“成分过冷”对合金固溶体晶体形貌的影响凝固界面形态分为：平界面、胞状界面、树枝界面和柱状界面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“成分过冷”在远离界面处大于异质形核所需过冷度时，在内部熔体中就产生新的晶核，造成“内生生长”，使得自由树枝晶在固液界面前方的熔体中出现三、窄成分过冷作用下胞状组织的形成及形貌胞状界面的成分过冷区的宽度约在

5、0.0l~0.1cm之间，随着成分过冷的增大，界面形态呈现如下的变化过程“痘点”状界面不规则胞状晶界面狭长胞状晶界面规则胞状晶界面胞状晶往往不是彼此分离的晶粒，在一个晶粒的界面上可形成许多胞状晶，这些胞状晶源于一个晶粒胞状晶可认为是一种亚结构四、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→胞状晶开始向择优方向生长→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”胞状晶生长方向垂直于固-液界面（与热流相反与晶

6、体学取向无关）柱状树枝晶的生长五、等轴晶的形成与内生生长当固液界面前方成分过冷的最大值Tmax大于熔体中非均质生核最有效衬底大量生核所需的过冷度ΔT异，在柱状树枝晶由外向内生长的同时，界面前方这部分熔体将发生大量生核，导致许多独立的晶体在过冷熔体中的自由生长，形成方向各异、各生长方向尺度相近的等轴树枝晶，即等轴晶，又称自由树枝晶八面体微晶发展为树枝晶干的过程不等轴自由树枝晶（两维）生长过程的数值模拟纯镍等轴树枝晶长大过程的数值模拟“外生生长”与“内生生长”的概念外生生长:晶体自型壁生核，然后由外向内单向

7、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内生生长:等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”成分过冷区的进一步加大促使外生生长向内生生长的转变。这个转变是由成分过冷的大小和外来质点非均质形核能力这两个因素决定的。大成分过冷和强生核能力质点利于内生生长六、枝晶间距1、枝晶间距的含义及与材料性能的关系枝晶间距：指相邻同次枝晶间的垂直距离。枝晶间距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

8、次分枝间距d2两种。d1是胞状晶和柱状树枝晶的重要参数；d2对柱状树枝晶和等轴晶有重要意义材料性能好热裂纹倾向小显微缩松、夹杂物细小且分散成分趋于均匀化细晶强化效果显著枝晶间距小2、枝晶间距的预测一次臂间距d1的表达式冈本平HuntJ.D二次臂间距d2的表达式△TS—非平衡凝固的温度区间，A—与合金性质相关的常数R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