成分过冷与单相合金凝固课件.ppt

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1、第五章成分过冷和单相合金的凝固1.单相合金凝固组织的表征2.金属凝固过程的成分过冷3.界面稳定性的动力学理论4.界面稳定性与晶体形态5.胞状晶组织6.树枝晶组织11.单相合金凝固组织的表征单相合金凝固组织是材料科学工作者最感兴趣的问题之一。凝固条件对晶体生长形态的影响:典型的金属凝固方式有定向凝固和自由凝固；常见凝固条件下的凝固：以枝晶方式进行；枝晶凝固：定向凝固、自由凝固。定向枝晶凝固：单向热流条件下,在一定的生长速率范围内实现。给定GL下，随R↓：枝晶组织可能被抑制→胞状晶或平面晶。定向枝晶的特征尺寸：一次枝晶间距λ1和二次枝晶间

2、距λ2。决定着凝固组织中的微观偏析、亚结构及次生相分布及材料的性能。胞状凝固：只存在一次间距；平面晶:无枝晶；等轴晶：一次、二次及更高次难以区分，通常用枝晶间距及晶粒尺寸表征。2枝晶形态及特征尺寸的控制:枝晶生长形态及特征尺寸是由凝固过程中的热扩散、溶质扩散、界面能、液相对流以及界面原子动力学决定的，在合金成分给定之后,可通过改变凝固过程控制参数的方法来控制。定向凝固特征尺寸的控制参数是:生长速率和温度梯度而自由枝晶的控制参数是:冷却速率和过冷度32.金属凝固过程的成分过冷(1)成分过冷判别式k0＜1的合金，单向凝固的平界面生长达到稳

3、定阶段后，界面前沿形成稳定的溶质富集层，也称：当量边界层，equivalentboundarylayer,设其厚度为：δC,其大小与生长速度成反比的关系，溶质浓度的变化必然导致平衡凝固点的改变，固通过相图，可以得到溶质富集层内的温度变化规律，即液相线温度边界层，liquidTemperatureboundary,随距离的增加，浓度富集减小（C0/k0-C0)，而温度升高（△T0)当液相内的实际温度分布GL低于液相线的分布TL时，即在液固界面前沿形成所谓的成分过冷.4形成成分过冷的条件：成分过冷（C.S:ConstitutionalSu

4、percooling):在K0＜1情况下产生成分过冷的条件：这是成分过冷判别式的通式，根据此条件可以导出液相中只有扩散条件下的成分过冷判据。5这个判据也适合液相无对流而只有扩散的情况，如δN=∞，，代入后可得液相无对流条件下的成分过冷判据。为结晶温度区间，即：可见，结晶温度区间越宽，越容易形成成分过冷，平界面越容易被破坏由以上的关系可见：以下的各种变化有助于成分分过冷1）液相中温度梯度小GL↓，即较平缓的温度场；2）较快的生长速度R↑；3）较大的液相线斜率mL↑；4）较高的合金原始成分C0↑；5）较低的扩散系数DL↓；6）较小的溶质分

5、配系数K0↓。，6（2）成分过冷的过冷度及过冷区宽度求最大过冷度：任一处过冷度为：取：得：因此：成分过冷”冷出现的区域宽度：73.界面稳定性的动力学理论（1）界面稳定性动力学的判别式Rutter和Chalmer等人提出的成分过冷准则把固-液界面的平衡过于简单化了，只考虑了温度梯度和浓度梯度这2个具有相反效应的因素对界面稳定性的影响，即固一液界面前沿液相一侧正的温度梯度和小的浓度梯度有利于界面的稳定；反之，负的温度梯度和大的浓度梯度则不利于界面的稳定。但是，“成分过冷”准则没有考虑晶体生长过程中运动着的界面出现干扰的情况，事实上干扰是不

6、可避免的。界面上的平衡还受到固相传热、结晶潜热以及固-液界面张力的影响。Mullins和Sekerka在1964年提出来界面稳定性的动力学理论，是研究温度场和浓度场的干扰行为，干扰的振幅和时间关系及其对界面稳定性的影响规律。8界面稳定性的动力学理论：固-液界面是由无穷小的正弦波所组成，界面稳定性取决于正弦波的振幅对时间的变化率，如果振幅随时间而增大，固-液界面是不稳定的，相反，如果振幅随时间而减小，则界面是稳定的。（干扰影响温度和浓度的扩散均匀）在X，Y，Z坐标中，Z指向液面而垂直于固-液界面，X与固-液界面平行，则固-液界面在Z方向

7、上的位置与时间t和距离所选坐标原点的位置x有关，即：为正弦波的振幅，W为振动频率，设：则振幅随时间的变化率为：，其计算是一个非常复杂的问题9Mullins等人计算的依据：1）界面推进速度：R0为不产生正弦波时的界面推进速度。2）其中：R为界面推进速度；D为溶质在液相中的扩散系数；W*为液相中固-液界面溶质的波动频率，，G，，G为固、液相中的温度梯度，m为液相线的斜率，p=1-K0；为表面张力常数，H为单位体积溶剂的结晶潜热；GC为δ=0时的溶质浓度梯度。Ks,Kl为固液相导热率3）固液界面的稳定性取决于的符号的正、负。若为正，则波动增

8、长，界面不稳定；若为负，则波动衰减，界面稳定。分母始终为正，因为：在分母中:第一项：，由W的表达式可知，且p=（1-K0）＜1，10第二项：浓度梯度DC与液相线斜率m的符号相同。故的符号只取决于分子项，故将为正去掉，得出