单相及多相合金的结晶.ppt

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1、本章从凝固过程溶质再分配的规律谈起，着重讨论所涉及到的“成分过冷”条件及其对合金凝固组织的影响规律、单相固溶体合金及多相合金的凝固。并为后续章节的内容的讨论奠定基础。单相及多相合金的结晶第一节凝固过程溶质再分配一、绝对平衡凝固条件下的溶质再分配所谓绝对平衡凝固是指液、固相溶质成分完全达到平衡状态图对应温度的平衡成分。这时，假设固相、液相中成分均及时充分扩散均匀。如图4-1所示，设试样从一端开始凝固.。开始时：T=TL时，CS=K0C0，CL=C0。凝固过程中：T=T*，固-液界面上成分为C∗s=CS，C∗L=CL，固相及液相的质量分数分别为fS及fL，于是有单相及多相合

2、金的结晶单相及多相合金的结晶即整理得：凝固终了时1=sf，固相成分均匀地为CS=C0。二、固相无扩散而液相中完全混合的溶质再分配这种情况假设溶质在固相中没有扩散，而溶质在液相充分混合均匀。如图4-2所示，设试样从一端开始凝固。开始时T=TL，CS=K0C0，CL=C0，降至T*时，固-液界面上固相成分C∗S，与液相成分C∗L平衡，由于固相中无扩散，成分沿斜线由K0C0逐渐上升（固相先后凝固各部分成分不同）而液相因完全混合，平均成分C∗L=CL，三、固相中无扩散而液相中只有扩散的溶质再分配假设溶质在固相中没有扩散。由于液相只有扩散，固相中排出的溶质难以在液相中迅速散开达到

3、均匀，而在固-液界面前沿形成溶质富集边界层。分析：如图4-3所示，设离开固-液界面伸向液相的距离为x′，根据固-液面前沿液相溶质富集层成分分布及变化情况，凝固过程分为三个阶段：单相及多相合金的结晶单相及多相合金的结晶最初过渡区：T=TL时，CS=K0C0，多余溶质排向液相，由于扩散（无对流）不足以使之完全排向远方。界面前溶质出现富集（开始积累）。随着凝固进行，CS逐渐上升，C*L也逐渐上升，直至稳定态区：当时，C*S=C0，这时进入稳定状态，固相凝固排出的溶质原子等于液相中扩散离开界面的原子数量。稳定状态，液相各点的成分保持不变.，即R为凝固速度，D为扩散系数；③最后过

4、渡区：直到剩下液体不多时，凝固接近完毕，界面上溶质原子向液体扩散受到限制，于是界面上液相溶质浓渡又再上升（比开始凝固时浓度要高得多），固相浓度随之急剧上升，直至凝固结束。因此往往在最后凝固的区域，K0<1的溶质由于急剧升高而造成严重集聚偏析。单相及多相合金的结晶稳定态时：方程的解为：根据边界条件：单相及多相合金的结晶整理得：（稳定状态阶段富集层溶质分布情况）?一般将RDxL=′称为特征距离：此时，（CL-C0）值降到eK；?在同样的原始成分C0时，R越大，DL越小，K0越小，则在液-固界面前沿溶质富集越严重，曲线越陡峭。?上述是凝固速度R不变的情况，如果凝固速度R发生变

5、化，液、固相的成分均会发生波动。结合下图讲解R2＞R1及R2＜R1的情况：旧稳定状态→过渡区（高度、距离、时间长短）→新的稳定状态（陡峭情况、面积）单相及多相合金的结晶四、液相中部分混合（有对流作用）的溶质再分配在部分混合情况下，固-液界面处的液相中存在一扩散边界层，在边界层内只靠扩散传质（静止无对流），在边界层以外的液相因有对流作用成分得以保持均一。分析：如果液相容积很大，边界层以外液相将不受已凝固相的影响，而保持原始成分C0；而固相成分C∗S，在凝固速度R、边界层宽度δN一定情况下也将保持一定，只是C∗S值不是C0而小于C0，因为与“液相只有扩散”条件相比可知:C*

6、L＜C0/K0单相及多相合金的结晶在达到稳定态时：解此微分方程，代入边界条件：得：液相充分大时边界层宽度δN内任意一点x΄液相成分当液相不是充分大，则δN以外的CL将不再固定于C0不变，而是逐渐提高的，设以LC代之，则边界层宽度δN内任意一点x΄液相成分为：单相及多相合金的结晶该式也适应液相只有扩散的情况，以及液相完全混合的情况。第二节合金凝固界面前沿的成分过冷凝固过程的溶质再分配引起固-液界面前沿的溶质富集，导致界面前沿熔体液相线的改变而可能产生所谓的“成分过冷”。本节主要介绍成分过冷的形成条件、判据、影响因素及其程度。一、“成分过冷”条件和判据分析：在K0＜1情况下

7、（如图4-7a）：设在界面前沿形成一个溶质富集层（图4-7b），在界面上的液相成分C∗L最大，离开界面处，液相浓度随距离x'逐渐降低；图4-7c中界面上相应TL（x'）为Ti。液相线温度TL（x'）随距离x'逐渐上升。“成分过冷”条件：当界面前沿液相的实际温度梯度GL（对应于T2实际）小于液相线的斜率时，即则出现“成分过冷”（由溶质成分富集引起的过冷）。单相及多相合金的结晶（一）液相只有扩散的条件下“成分过冷”判据“成分过冷”的判据：（二）液相部分混合（有对流）的情况（推导过程自学）“成分过冷”的判据：不难看出，下列条件有助于形成“成分过