第6章材料的凝固(b).ppt

姚宝殿 上海工程技术大学材料学院 Tel.67791474 yaobd,材料科学基础（2013-2014（I1）,第6章 材料的凝固,4. 固溶体合金的凝固,合金凝固与其成分变化过程密切相关,固溶体凝固方式的分类,固溶体凝固,液相完全混合,液相不完全混合,液相完全不混合,固相原子是否扩散,固溶体凝固,液相原子是否充分扩散,正常凝固,非正常凝固,1）固溶体平衡凝固的特点： 液相和固相中的组元原子都能充分扩散 凝固后固溶体成分均匀 2）固溶体非平衡凝固的特点： 液、固两相的平均成分线与液相线和固相线不同，它们取决于凝固冷却速度。冷速越快，偏离液相线和固相线的程度越严重；反之则偏离程度较轻。 先结晶部分富含高熔点组元（A），后结晶部分富含低熔点组元（B），也就是说晶体各部分的成分是不均匀的，这种现象就称为偏析。 非平衡凝固的结束温度总是低于平衡凝固的结束温度。,一、固溶体合金的平衡与非平衡凝固,（一）溶质分配系数： 定义：恒温T*下固相合金成分浓度CS 与液相合金成分浓度CL 达到平衡时的比值:,假设液相线及固相线为直线，则,K0 的物理意义：对于K01， K0 越小，固相线、液相线张开程度越大，固相成分开始结晶时与终了结晶时差别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。因此，常将1- K0称为“偏析系数”。实际合金的K0 大小受合金类别及成分、微量元素的存在影响。此外，由于液相线及固相线不为直线，所以凝固中随温度的改变而有所变化。,二、溶质再分配 合金材料凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度可用平衡分配系数K0表示。,平衡分配系数,假设液相和固相线为直线 溶质分配系数：,（二）平衡凝固时的溶质再分配,（三）非平衡凝固时的溶质再分配,固相无扩散，成分不均匀；液相完全混合（充分扩散，混合均匀），成分均匀（正常凝固）， 固相无扩散，成分不均匀; 液相完全不混合（非正常凝固） 固相无扩散，成分不均匀；液相部分混合，成分不均匀（非正常凝固）,（三）非平衡凝固时的溶质再分配,1. 固相无扩散，成分不均匀，液相完全混合（正常凝固），成分均匀,固相无扩散，液相充分扩散的溶质再分配示意图,2. 固相无扩散，成分不均匀，液相只有扩散而无对流，（即液相完全不混合）（非正常凝固）,靠近液固界面处只有扩散，不发生对流，形成边界层,固相无扩散，液相有限扩散而无对流时溶质分布示意图,3. 固相无扩散，成分不均匀，液相有限扩散，有弱对流（即液相部分混合）（非正常凝固）,固相无扩散，液相部分混合时溶质分布示意图,三种情况下不平衡凝固的有效扩散系数,有效分配系数Ke值不同时的溶质分布示意图 a) ke=1; b) Ke=ko; c) Ko Ke 1,三、合金凝固中的成分过冷,成分过冷: 合金在不平衡凝固时，液固界面前沿的液相中形成溶质富集层，因富集层中各处的合金成分不同，具有不同的熔点，造成液固前沿的液相处于不同的过冷状态。这样，过冷度既与实际温度分布有关，又与溶质分布有关，此即“成分过冷”。,K01的合金成分过冷示意图,原因：溶质再分配 注意比较 热过冷 稳态生长过程中成分过冷Tc的大小,3.成分过冷的判据,过冷,三、合金凝固中的成分过冷,其中: GL 液相中温度梯度 R 晶体生长速度 mL 液相线斜率 C0 原始成分浓度 DL 液相中溶质扩散系数 k0 平衡分配系数K,3.成分过冷的判据,过冷,成分过冷的大小主要受下列因素的影响: 1）液相中温度梯度GL , GL越小,越有利于成分过冷； 2）晶体生长速度R , R越大,越有利于成分过冷； 3）液相线斜率mL , mL越大,越有利于成分过冷； 4）原始成分浓度C0, C0越高,越有利于成分过冷； 5）液相中溶质扩散系数DL, DL越小,越有利于成分过冷 6）平衡分配系数k0 , k0 1时， k0 越 小,越有利于成分过冷； k0 1时， k0越大,越有利于成分过冷。 (注: GL和 R 为工艺因素,相对较易加以控制; mL , C0 , DL , k0 ,为材料因素,较难控制 ),成分过冷对固溶体晶体生长形态的影响,四、晶体生长形态,平面、胞状、枝晶、等轴,成分过冷对晶体生长形态的影响,成分过冷度很小或没有成分过冷，平直界面； 成分过冷度较大时，胞状晶； 成分过冷度很大时，树枝晶。,4.2 固溶体的凝固,胞状晶转变为胞状树枝晶,不同成分过冷形成的金相组织,胞状晶,树枝晶,小结：,2、成分过冷 成分过冷是指什么情况下形成的过冷？在单相固溶体凝固时成分过冷是怎样形成的？形成成分过冷的临界条件是什么？它与哪些因素有关？成分过冷如何决定单相固溶体中的晶粒的形貌？,1、边界层 什么是边界层？什么情况下会形成边界层？如何根据边界层区分正常凝固和非正常凝固？描述边界层存在与否的参数（ 平衡分配系数k0和有效分配系数ke）是如何定义的？根据ke的大小不同可以将凝固过程分为哪三种典型情况？,前面讲述的是单相固溶体的凝固，重点是两个基本概念和相关的内容：,5. 共晶合金的凝固,共晶合金凝固共晶组织的形态,按形貌特征,规则共晶 非规则共晶,层片状 棒状 螺旋状,针状 树枝状,按固液界面,金属-金属型共晶 金属-非金属型共晶 非金属-非金属型共晶,共晶型合金分为规则共晶和非规则共晶。 规则共晶:由金属金属组成，具有明显的两相交替分布的特征； 非规则共晶:由金属非金属组成，无明显的两相交替分布的特征。,正的温度梯度 无成分过冷,Jackson认为界面的平衡结构是界面能最低的结构。建立了界面自由能的相对变化GS与界面上固相原子所占位置的分数P之间的关系：,其中：N界面上的原子位置数； k 波尔兹曼常数； Tm 熔点温度；P为界面上固相原子的百分数；,Jackson判据,其中：Lm是熔化潜热，Sm是熔化熵：h是界面原子的平均配位数; n是晶体的配位数,与熔化熵Sm =（SS-SL)成正比,.2时，在P0.5处界面能极小值，界面上约有一半的原子位置被固相原子占据着，形成粗糙界面。 .5时，在Pl和P0处，界面能极小，界面上绝大多数原子位置被固相原子占据或空着，为光滑界面。 .对于25，情况比较复杂，往往形成以上两种类型的混合界面。,金属和某些有机化合物的2，故其液-固相界面为粗糙界面；对于多数无机非金属，5，其液-固相界面为光滑界面；而对于某些亚金属(Bi、Sb、Ga、Ge、Si等)，在25之间，其界面多为混合型。,粗糙界面 （非小平面界面，非晶面型界面),光滑界面 （小平面界面， 晶面型界面),按界面结构分类：,1、金属金属型（粗糙粗糙界面）共晶 共晶两相均为金属，两相的液固界面均为微观粗糙界面， 两组元均是金属的共晶系属这种类型；,2、金属非金属型（粗糙光滑界面）共晶 共晶两相中一相为金属（或合金），另一相为非金属 （或亚金属） 金属相的液固界面均为微观粗糙界面，非金属（或 亚金属)相的液固界面均为微观光滑界面;,3、非金属非金属型（光滑光滑界面）共晶 共晶两相均为非金属，很少研究。,1. 金属金属型共晶,1）形貌 主要是片状或棒状，影响形貌的主要因素有两个：,两相的相对体积分数 计算表明当两相中的一相体积分数小于27.6%时易形成棒状 此时形成棒状共晶的界面积小，反之形成片状，计算方法详 见上海交大教材p303;,共晶组织分类及形成机理,两相之间的界面能 若两相之间有固定的位向（取向）关系，则形貌一般是片状， 因为此时界面上原子的匹配好，界面能低。 如在AlCuAl2共晶中两相之间有位向关系：,形成片状共晶,共晶组织分类及形成机理,片状共晶的形核,选区电子衍射等微观分析表明：一个共晶领域只包含一个相晶核和一个相晶核。 不是相和相反复形核而成,搭桥形核机制,可能首先形成一种相的晶核，另一相晶核便在已有的晶核上形核，然后两相以搭桥的方式联成整体，构成共晶,片状共晶长大的一般过程,共晶合金凝固过程是形核相界平衡短程扩散破坏平衡长大相界平衡，此过程在恒温下重复进行。,每个共晶晶核各自长大成为一个共晶领域，直至熔液全部转变为由不同共晶领域组成的共晶组织为止,成分过冷对共晶界面稳定性的影响,两种组元之间的短程扩散不利于在固液界面形成成分过冷，此时界面平面推进； 当共晶合金中存在一些杂质元素（少量的第三组元），凝固时两相都排出这种组元，导致第三组元在固液界面富集，从而产生成分过冷，出现胞状组织或树枝状组织,2. 金属非金属型共晶,复杂形貌的形成机理： 共晶两相结晶前沿（液固界面）过冷度不同 动态过冷度；成分过冷,不同的合金系中，共晶结晶的方式可分为共生生长和离异生长两种。 共生生长：共晶组织和伪共晶组织 离异生长：离异共晶组织 1）共生生长需要两个基本条件： 两相生长能力接近，且析出相要容易在先析出相上形核和长大。 两组元在界面前沿的横向传输要能保证两相等速生长的需要。,由于实际凝固过程中动力学条件的限制，实际共生区与平衡相图上的共生区会有一定差异。通常要小一些，或是不对称。,对称形 非对称形,离异生长是指共晶合金两相生长时，没有共同的生长界面，两相分离并以不同生长速率而结晶，从而共晶组织特征消失。 离异共晶体可分为晶间偏析型和领先相呈球团型两类。,晶间偏析型合金