第7-4章合金的凝固与制备原理

1、1 1 7.4.1、固溶体的凝固理论、固溶体的凝固理论 1、正常凝固正常凝固 固溶体凝固时平衡的液相和固相之间有成分差别，凝固时， 要发生溶质的重新分布。 平衡分配系数k0：一定温度下，平衡凝固时固-液两相中溶 质质量分数之比。 7.4 7.4 二元合金的凝固理论二元合金的凝固理论 L s w w k 0 2 2 K01时正好 相反。当液固相线为直线时，K0为常数。 3 3 假定水平圆棒自左向右进行定向凝固，固液界面保持平面。 在平衡凝固过程中，在每个温度下，液体和固体中的溶质 原子都能充分混合均匀，虽然先后凝固出来的固相成分不 同，但凝固结束后，固体中各处的成分均变为原合金成分。 4 在非平

2、衡凝固时，已凝固 的固相成分随凝固距离而 变化。 下式为正常凝固方程正常凝固方程，它 表示固相质量浓度随凝固 距离的变化规律。 这种成分不均匀现象称为 正偏析，属于宏观偏析， 不能通过扩散退火消除。 1 00 0 )1 ( k s L x k 5 5 2、区域熔炼、区域熔炼 合金自左向右局部熔化，推出区域熔炼方程区域熔炼方程为： )1(1 0 00 l xk s ek 区域熔炼方程表示经一次区域熔炼后随凝固距离变化的固 溶体的质量浓度。 当K01时，凝固前端部分的溶质质量浓度不断降低，后端 部分不断富集。因此区域熔炼又叫区域提纯。 6 6 7 7 8 8 3、有效分配系数、有效分配系数ke 合

3、金凝固时，当从固体界面输出溶质的速度等于溶质 从边界层扩散出去的速度时，达到稳定状态。 有效分配系数定义为固体在边界处的质量浓度与液体 在边界层以外的质量浓度之比： BL is e k )( )( 9 9 （1）当凝固速度极快时，ke=1，液体完全不混合，界面处 液体保持0/k0，边界区以外区域液体仍保持0。 （2）当凝固速度极其缓慢时， ke=k0，液体中溶质完全混 合均匀，液体中溶质浓度随凝固进程不断变化，凝固方 程不变。 （3）当凝固速度介于二者之间时，界面层厚度随混合作用 的加强而减小，凝固方程是用ke取代k0。 DR e ekk k k / 00 0 )1 ( 1010 4、成分过冷

4、、成分过冷 （1）成分过冷的概念 在合金凝固过程中，由于液相中溶质的分布发生变化而改变 了凝固温度，将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布 所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过冷成分过冷。 （2）产生成分过冷的临界条件 0 00 1 k k D mw R G 平衡分配系数k 界面处固相的质量分数w 液相线斜率m 凝固速率R 温度梯度 0 0 G 11 （3）成分过冷对晶体生长形态的影响 n当界面前沿的成分过冷区较小时，使界面形成胞状组织胞状组织。 n当界面前沿的成分过冷区较大时，使界面形成树枝状组树枝状组 织织。 n介于两种组织形态之间还存在过渡形态，即介于平面状 和胞状之间的平面胞状晶

5、平面胞状晶；介于胞状和树枝晶之间的胞胞 状树枝晶状树枝晶。 12 例例1、Al-Cu合金相图如图所示，设分配系数k为常数，试求： （1）w(Cu)=1%的固溶体进行缓慢的正常凝固，当凝固分数 x/L=50%时所凝固出的固体成分； （2）经过一次区域熔化后在x=5处的固体成分，取熔区宽度 l=0.5。 13 %83.0) 5.0 516.0 exp()16.01(101.0 )exp()k-(1-1ww ）由区域熔化方程得：2（ %286.0）5.0-1（16.001.0） L x -1（kww 得：两边同除以合金的密度）由正常凝固方程等式1（ 16.0 2.35 65.5 k平衡分配系数 相图

6、解得：解：根据已知条件，由 0 00s 1-16.0 1-k 00s 0 0 l xk w w L S 1414 7.4.2、共晶凝固理论、共晶凝固理论 1、共晶组织分类、共晶组织分类 共晶体形态的基本特征是两相交替排列两相交替排列，但两相的形态是 多种多样的，有层片状、棒状（纤维状）、球状、针状和 螺旋状等。 共晶组织形成各种形态的原因主要是两相的性质性质和数量数量的 不同所造成的。 按共晶两相凝固生长时液-固界面的性质不同，分三类： （1）金属-金属型（粗糙-粗糙界面） （2）金属-非金属型（粗糙-光滑界面） （3）非金属-非金属型（光滑-光滑界面） 15 1616 2、共晶组织形成的机制

7、、共晶组织形成的机制 共晶合金的凝固也是有形核和长大两个过程，当液体冷却 到共晶温度以下时，过冷的液体含有了两个固相形核的必 要条件，一般条件下，总有一相先析出，称为领先相领先相。 设为领先相，首先相从液相中形核并长大，成长时将 排出B组元，则周围的液体将富集B组元，并且已有的 相又可作为非均匀形核的基底，相依附在相上形核并长 大；同理，外围的液体中将富集A组元，可依附在相上 形核，这样反复互相促进，交替形核并生长。 17 18 1919 层片状共晶中两相的交替生长并不需要反复形核，而是通 过搭桥方式来形成层片状共晶的。因为在同样的过冷度下， 生长比形核容易。 2020 两相在液体中是互相促进

8、的并肩生长。这是由于两相交替 并列，每一相生长排出的溶质原子正是另一相长大所需要 的，并且两相紧靠在一起，横向原子的扩散距离很短。 两相共同结晶得到的两相混合组织称为共晶体共晶体。 只有两相同时存在共同成长才称为共晶凝固。共晶凝固所 构成的共晶领域称为共晶晶粒或共晶团共晶团，凝固最后以各个 共晶团互相接触为止。 在一个共晶领域中，每相层片是属于同一个晶体生长得到 的。 在每一个共晶团内，为了降低界面能，两相之间一般都存 在一定的晶体学位向关系。 2121 （1）金属-金属型共晶： n由于两相的性质相近，且都是以单原子迁移来完成向液体 中生长，两相均匀并肩生长，在一般情况下共晶体呈现简 单的层片

9、状，层片间每相的厚度比为两相的数量比。 当两相中一相的数量明显地比另一相少时，含量少的这一 相因过薄而收缩成棒状，甚至纤维状。 层片间的距离取决于凝固时的过冷度，过冷度越大，凝固过冷度越大，凝固 速度越大，层片间距越小，共晶组织越细。速度越大，层片间距越小，共晶组织越细。 共晶组织越细，则合金的强度越高。共晶组织越细，则合金的强度越高。 2222 （2）金属-非金属型共晶： 这类共晶具有不规则或复杂的组织形态。导致共晶组织呈 不规则形态的主要原因是两相的微观结构不同。 有两种观点：一种是粗糙和光滑两种界面的动态过冷度不 同引起的；一种是由成分过冷引起的非金属相加速生长。 （3）第三组元对共晶组

10、织的影响 变质处理变质处理：向熔液中添加第三组元来改变组织形态的处理 方法，称为变质处理，添加的第三组元称为变质剂。 如Al-Si合金中加钠盐钠盐可细化晶粒；铸铁铸铁中加镁镁和稀土元素稀土元素， 可使石墨的形态由片状变成蠕虫状或球状，从而改变铸铁 的性能。 2323 （4）共晶合金中的初生晶形态 n当熔体的成分偏离共晶成分时，在达到共晶转变之前有初 生相的析出，这一过程同固溶体的凝固过程的前一阶段， 这些初生相的形态主要取决于初生晶的性质。 n若初生晶为金属的固溶体，凝固时固液界面为粗糙型界面， 一般呈树枝状树枝状（截面组织可呈椭圆形或不规则形状）；若 初生晶为非金属性，凝固时固液界面为光滑型

11、界面，一般 呈规则的特有多面体多面体（截面组织呈多边形）。 由于凝固时这些初生相并未完全接触，液体的成分和温度 达到共晶点以下，初生晶的形态自然的保留下来，余下部 分由共晶体填充。 24 例2、根据图示的Al-Si共晶相图，试分析图中三个金相组织属 于什么成分（亚共晶或过共晶），并说明理由。并指出细化 此合金铸态组织的可能途径。 25 26 答：（1）图中（a）为共晶组织，（b）为过共晶组织，（c ）为亚共晶组织。 （2） 因为共晶组织为两相交替生成的针状组织。过共晶 组织的初生相为Si，应为非金属结晶特征，呈小平面形态 的块状，在磨面上有较规则的外观。亚共晶组织的初生相 为（Al）固溶体，应

12、为金属结晶特征，呈树枝状晶体，在 显微磨面上呈椭圆型或不规则形状。 （3）可采用变质剂（钠盐）进行变质处理；或增加冷却速 率；或在凝固时施加振动或搅拌来细化Al-Si合金的铸态组 织。 2727 7.4.3、合金铸锭（件）、合金铸锭（件） 的组织与缺陷的组织与缺陷 1、铸锭（件）的宏观组织、铸锭（件）的宏观组织 铸锭组织通常由表层细 晶区、柱状晶区和中心 等轴晶区三部分组成。 2828 （1）表层细晶区）表层细晶区 当高温液态金属注入铸模时，模壁温度低使与之接触的很 薄一层熔液获得很大的过冷度，加上模壁促进非均匀形核， 因而形核率很高，晶核迅速生成并长大到互相接触，形成 细晶区。 （2）柱状晶

13、区）柱状晶区 模壁温度升高，散热变慢，过冷度变小到不足以独立形核， 只有靠细晶区中那些取向有利的晶粒才能向液体中生长。 由于垂直模壁方向散热最快，这些晶体优先沿模壁法线方 向向中心长大而形成柱状晶区。 2929 （3）中心等轴晶区）中心等轴晶区 当柱状晶长大到一定程度，中心部分的液体散热减慢， 温度趋于均匀，将阻止柱状晶的快速生长。当整个熔 液温度降到熔点以下时，熔液中出现许多晶核，并沿 各个方向长大，形成中心等轴晶区。 3030 （4）各晶区尺寸的控制）各晶区尺寸的控制 快的冷却速度，高的浇注温度和定向散热有利于柱状晶 的形成。 慢的冷却速度，低的浇注温度，加入有效形核剂或搅动 等有利于形成

14、中心等轴晶区。 柱状晶的优点是组织致密，缺点是晶粒之间界面脆弱， 易开裂。等轴晶无择优取向，裂纹不易扩展 ，但组织不 如柱状晶致密。 对塑性好的金属及合金，如铜、铝及其合金，即使全部 为柱状晶组织，也能顺利通过轧制而不致开裂，可加大 柱状晶区；而对于塑性较差的金属及合金，如钢铁和镍 合金，则应避免形成柱状晶，否则易导致热轧开裂。 3131 2、铸锭（铸件）的缺陷、铸锭（铸件）的缺陷 （1）缩孔）缩孔 大多数金属液体凝固时体积都要缩小，如果没有足够的 液体补缩，便会形成缩孔。 缩孔分为集中缩孔集中缩孔和分散缩孔分散缩孔两种。 集中缩孔有多种形式，如缩管、缩穴、单向收缩等。它 一般是由于补缩不良造

15、成的，正确设计浇注系统或采用 合适的补缩措施，让缩孔集中在冒口内，然后加以切除。 分散缩孔又称疏松，可分为一般疏松和中心疏松。是枝 晶组织凝固本性的必然结果，当凝固收缩得不到补充， 就形成细小的分散缩孔。疏松是难以消除的，但可通过 铸造后的压力加工减轻或消除。 3232 3333 共晶成分合金和纯金属相同，在恒温下结晶。其前沿液体 中几乎不产生成分过冷，界面呈平面推移，主要以柱状晶 向前延伸方式进行，这种凝固方式称为“壳状凝固”。这 种凝固方式，缩孔集中在冒口，可形成较致密的铸件。 在固溶体合金中，如果合金具有较宽的凝固温度范围，容 易在界面产生成分过冷，易形成等轴晶，存在宽的固液相 并存的糊

16、状区，这种凝固方式称为“糊状凝固”。 实际合金的凝固方式通常是壳状凝固和糊状凝固之间的状 态。 3434 3535 （2）偏析）偏析 偏析偏析是指合金中化学成分不均匀的现象。 偏析一般分为宏观偏析宏观偏析（区域偏析）和显微偏析显微偏析两类。 宏观偏析是大范围内的成分不均匀现象，显微偏析是晶粒 尺度范围内的成分不均匀现象。 宏观偏析可分为正常偏析、反偏析和比重偏析。 显微偏析可分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。 3636 宏观偏析宏观偏析 正常偏析正常偏析：对分配系数k01的合金，先凝固的外层中溶 质含量较后凝固的内层低。正常偏析很难完全避免，浇 注时采取适当措施可使偏析程度减轻。 反偏析反偏析：与正常偏析正好相反，其表现是k01的合金表 层溶质含量偏高。目前认为其形成原因与内部溶质富集 的液体倒流有关。 a. 比重偏析比重偏析：是由于初生相与熔液之间密度相差悬殊，前 者上浮，重者下沉，导