金属凝固原理第5课时单相合金的凝固.ppt

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1、第五章单相合金的凝固按照液态金属凝固过程中晶体形成的特点，合金可分为单相合金和多相合金两大类。单相合金是指在凝固过程中只析出一个固相的合金，如固溶体、金属间化合物等。纯金属结晶析出单一成分的单相组织，可视作单相合金凝固的特例。多相合金是指凝固过程中同时析出两个以上新相的合金,如具有共晶、包晶或偏晶转变的合金。凝固过程不仅发生金属的结晶，还伴随有体积的收缩和成分的重新分配，它决定液态成形产品的组织和性能。本章将讨论单相合金材料凝固过程的基本原理。第五章单相合金的凝固§5-1凝固过程的溶质再分配§5-

2、2成分过冷§5-3成分过冷与单相合金宏观生长方式§5-1凝固过程的溶质再分配一、单相合金凝固过程的特点以K0＜1的合金为例。在凝固温度区间任一温度T时：析出固相成分CsCo发现在整个凝固过程中，固-液界面处固相的成分始终低于固-液界面处液相的成分（对K0<1合金），多余的溶质原子被排挤到界面上的液体中，使溶质原子在界面富集，并逐渐向液体中扩散均匀化。溶质的再分配—合金在凝固过程中，已析出固相排出多余的溶质原子（或溶剂原子）,并富集在界面的液体中，造成成分分离的现象。这是合金

3、凝固过程的一大特点，对凝固过程影响极大。为描述溶质再分配的程度，引入平衡分配系数Ko为便于研究，假设合金的固、液相线为直线，则K0为常数（合金成分一定）。根据K0的值不同，状态图分成两大类：单相合金凝固过程的溶质再分配分为：·平衡凝固时的溶质再分配（固、液中溶质均能扩散均匀化）·近（准）平衡凝固时的溶质再分配（假设固相中溶质无扩散）液相均匀混合（有强烈对流和搅拌）液相中只有扩散（液相中无对流）液相部分混合（液相中既有扩散，也存在部分对流）（非平衡凝固时的溶质再分配为博士生课程内容）本课程内容(硕士

4、生研究生课程内容)。二、平衡凝固时的溶质再分配平衡凝固指凝固速度极度缓慢，使液相和固相中的溶质得以充分扩散均匀化。假设合金是从左向右进行单向凝固，固-液界面前沿存在正温度梯度，以K0<1合金为例。①开始凝固时，，二、平衡凝固时的溶质再分配②凝固过程中任一温度（）时，固-液界面上成分为：设固、液相质量分数分别为fS、fL，则fS+fL=1，根据质量守恒有：，二、平衡凝固时的溶质再分配③接近凝固终了时，，二、平衡凝固时的溶质再分配④凝固终了时：（单向凝固锭中无偏析）三、近（准）平衡凝固时的溶质再分配1

5、.固相无扩散，液相均匀混合时的溶质再分配假设合金单向凝固，界面前沿存在正温度梯度，为例（1）凝固过程①凝固开始时：，②凝固过程任一温度时：，设固相内平均成分为，液相为，有,则：三、近（准）平衡凝固时的溶质再分配③凝固到平衡固相线时：；有,由于，则，还有液体须继续凝固三、近（准）平衡凝固时的溶质再分配④接近凝固终了时：状态图中的Cs为近平衡凝固时的固相线。三、近（准）平衡凝固时的溶质再分配⑤凝固终了时：，铸锭中成分不均匀，存在微观偏析.三、近（准）平衡凝固时的溶质再分配（2）微观偏析的定量描述设凝固

6、过程中某一时刻，形成的固相分数为fs(液相分数为1-fs)。当固相增加dfs时，则排出的溶质量为(CL-CS)dfs，使剩下的液体[1-(fs+dfs)]的浓度升高dCL，则有(CL-CS)dfs=[1-(fs+dfs)]dCL假设剩下的液体很多，dfs和fs相比，可忽略不计，有1-fs-dfs=1-fs上式变成(CL-CS)dfs=(1-fs)dCL由于，，，代入上式，整理后为：两边积分后有：当时，代入后有，故得到近平衡凝固时的杠杆定理：（Scheil公式）Scheil公式表明：只要知道固相形成

7、多少（即fS已知）或剩下的液相多少（即fL已知），就可计算出该界面处固相成分或液相成分。（3）应用Scheil公式可应用于以下三个方面：·单向（定向）凝固过程铸锭中成分的变化·分析微观偏析（晶粒内偏析）过程成分变化·利用此式提纯合金（4）适用范围·此定理在液相充分搅拌情况下较准确。否则有误差·在凝固末端，即剩下最后一滴液体时，此定理不成立此时有，由即凝固末端不能应用此定理·对K0>1合金，此定理仍成立2.固相无扩散，液相中只有扩散时的溶质再分配在这种情况下，界面上排出的溶质原子只能通过扩散缓慢地向

8、液体内部运动，得不到充分的均匀化，于是界面前沿出现一个溶质富集区。假设合金单向凝固，界面前存在正温度梯度，以K0<1为例。（1）凝固过程①凝固开始时：，2.固相无扩散，液相中只有扩散时的溶质再分配（1）凝固过程②凝固过程任一温度时：，2.固相无扩散，液相中只有扩散时的溶质再分配（1）凝固过程③凝固到平衡固相线时：，在T1温度下,如果凝固速度R不变,则，不变，此时为稳定生长。2.固相无扩散，液相中只有扩散时的溶质再分配（1）凝固过程④接近凝固终了时：，2.固相无扩散，液相中只有扩散时