第三章液态金属结晶基本原理 下

1、第四节 单相合金的结晶4.4.3.1溶质富集引起界面前方熔体凝固温度的变化 0LLTTmC0001( )1LRxDLkCxCek00001( )1LRxDLkTxTmCek河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.3.2 热过冷与成分过冷 00()hKLKLTTTTG xTG x 。( )KLT xTTG x hLTG x 河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.3.2 热过冷与成分过冷河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.3.2 热过冷与成分过冷 “成分过冷成分过冷”的形成条件分的形成条件分析析 K01 情况下情况下 ： 界面前沿形成溶质富集层界面前沿形成溶质富集层 液相线

2、温度液相线温度TL(x)随随x增大增大上升上升 当当GL（界面前沿液相的实（界面前沿液相的实际温度梯度）小于液相线的际温度梯度）小于液相线的斜率时，即斜率时，即: 出现出现“成分过冷成分过冷” 。a)C%CL*=C0/k0CS=C0mLTSTMCL(X)b)XXC0CL*CS*Ti界面界面c)C%T成 分 过冷 区T2实 际T1实 际TL(X)0)(xLLxxTG00011) (xDRLmLLeKKCmTxT河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.3.2 热过冷与成分过冷液相中只有有限扩散时形成液相中只有有限扩散时形成“成分过冷成分过冷”的判据的判据液相部分混合时形成液相部分混合时形成“

3、成分过冷成分过冷”的判的判据据 000L)1 (RG KKDCmLLNLDRLLLeKKDCm00L11RG 河工河工北大北大 由判据由判据 可见，下列条件有助于形可见，下列条件有助于形成成“成分过冷成分过冷”： 液相中温度梯度小（液相中温度梯度小（G L小）；小）； 晶体生长速度快，晶体生长速度快，R大；大； m L大，即陡的液相线斜率；大，即陡的液相线斜率； 原始成分浓度高，原始成分浓度高，C 0大；大； 液相中溶质扩散系数液相中溶质扩散系数 D L低；低； K 01 时，时，K 0 小；小；K 01 时，时，K 0 大大000L)1 (RG KKDCmLL工艺因素工艺因素材料因素材料因素

4、第四节 单相合金的结晶4.4.3.2 热过冷与成分过冷河工河工北大北大 以液相只有扩散的情况为例：以液相只有扩散的情况为例： “成分过冷成分过冷”区的最大过冷度：区的最大过冷度： “成分过冷成分过冷”出现的区域宽度：出现的区域宽度： )1 (ln1 )1 (000000maxKDGKCmRRDGKKCmTLLLLLL20020)1(22XRkCmGDkRDLLL第四节 单相合金的结晶4.4.3.2 热过冷与成分过冷河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.4 界面前方过冷状态对结晶过程的影响4.4.4.14.4.4.1、热过冷对纯金属结晶过程的影响、热过冷对纯金属结晶过程的影响4.4.4.

5、24.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响、成分过冷对单相合金结晶过程的影响河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.4.1 热过冷对纯金属结晶过程的影响 纯金属液相在正温度梯度的区域内晶体生长的凝固界面通纯金属液相在正温度梯度的区域内晶体生长的凝固界面通常为平直形态，其温度低于平衡熔点温度常为平直形态，其温度低于平衡熔点温度Tm，过冷度，过冷度Tk 提提供凝固所必须的动力学驱动力，称为供凝固所必须的动力学驱动力，称为“动力学过冷动力学过冷” 。TkTm界 面LSGLGS 河工河工北大北大界面 Tm-TkLSGLGS 第四节 单相合金的结晶4.4.4.1 热过冷对纯金属结晶过程的影

6、响河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响 平面晶平面晶 胞状晶胞状晶 胞状树枝晶胞状树枝晶(柱状树柱状树枝晶枝晶) 内部等轴晶内部等轴晶(自由树自由树枝晶枝晶) 河工河工北大北大河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响00120(1)LLLmCkGTTRD kD 或河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响00120(1)LLLm CkGTTRD kD 或 河工河工北大北大

7、第四节 单相合金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响 胞状界面的成分过冷区的宽度约在胞状界面的成分过冷区的宽度约在0.0l一一0.1cm之间，随着之间，随着成分过冷的增大，发生：成分过冷的增大，发生：沟沟 槽槽不规则的胞状界面不规则的胞状界面狭长的胞状界面狭长的胞状界面规则胞状态规则胞状态胞状晶的生长方向垂直于固胞状晶的生长方向垂直于固-液界面（与热流相反与晶液界面（与热流相反与晶体学取向无关）。体学取向无关）。胞状晶可认为是一种亚结构胞状晶可认为是一种亚结构。河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响河工河工北大北大第四节 单相合

8、金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响 等轴枝晶的存在阻止了等轴枝晶的存在阻止了柱状晶区的单向延伸，此后柱状晶区的单向延伸，此后的结晶过程便是等轴晶区不的结晶过程便是等轴晶区不断向液体内部推进的过程断向液体内部推进的过程。 晶体的表面总是由界面能较小的晶面组晶体的表面总是由界面能较小的晶面组成，宽而平的面是界面能小的晶面，而成，宽而平的面是界面能小的晶面，而棱与角的狭面为界面能大的晶面。界面棱与角的狭面为界面能大的晶面。界面能大的晶面（垂直）生长速度较快，长能大的晶面（垂直）生长速度较快，长成成等轴树枝晶等轴树枝晶。 方向性较强的非金属晶体，其平衡态的方向性较强的非金属晶体，

9、其平衡态的晶体形貌具有清晰的多面体结构；方向晶体形貌具有清晰的多面体结构；方向性较弱的金属晶体，其平衡态近乎球形性较弱的金属晶体，其平衡态近乎球形 。河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响。第四节 单相合金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响 河工河工北大北大第四节 单相合金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响材料性能好材料性能好热裂纹倾向小热裂纹倾向小且分散且分散显微缩松、夹杂物细小显微缩松、夹杂物细小成分趋于均匀化成分趋于均匀化细晶强化效果显著细晶强化效果显著枝晶间距小枝晶间距小河工河工北大北大一次臂间距一

10、次臂间距d1的表达式：的表达式： 二次臂枝晶间距二次臂枝晶间距d2的表达式：的表达式： 210001)1(RGDKCmadLLL2141)1(6401LLLGRCKDmd冈本平冈本平 Hunt J.D 31)(2LSGRTAdTS 非平衡凝固的温度区间，A 与合金性质相关的常数枝晶间距的预测枝晶间距的预测第四节 单相合金的结晶4.4.4.2、成分过冷对单相合金结晶过程的影响河工河工北大北大第五节 共晶合金的结晶4.5、共晶合金的结晶过程河工河工北大北大 第五节 共晶合金的结晶4.5.1、共晶组织的分类及结晶特点河工河工北大北大第五节 共晶合金的结晶4.5.2、共晶合金的结晶方式河工河工北大北大

11、第五节 共晶合金的结晶4.5.2、共晶合金的结晶方式河工河工北大北大第五节 共晶合金的结晶4.5.2、共晶合金的结晶方式河工河工北大北大 第五节 共晶合金的结晶4.5.2、共晶合金的结晶方式河工河工北大北大 1. 3.有助于对共生生长和离异生长这两种不同共晶方有助于对共生生长和离异生长这两种不同共晶方式作进一步分析和探讨；式作进一步分析和探讨； 4.共生区的概念与平衡图并不矛盾，在无限缓慢共生区的概念与平衡图并不矛盾，在无限缓慢的冷却条件下，共生区退缩到共晶点的冷却条件下，共生区退缩到共晶点E，合金液即按，合金液即按平衡相图所示的规律进行结晶。平衡相图所示的规律进行结晶。第五节 共晶合金的结晶

12、4.5.2、共晶合金的结晶方式河工河工北大北大 第五节 共晶合金的结晶4.5.2、共晶合金的结晶方式河工河工北大北大 由系统本身的原因所引起：由系统本身的原因所引起： 如果合金成分偏离共晶点很如果合金成分偏离共晶点很远，初晶相长得很大，共晶远，初晶相长得很大，共晶成分的残留液体很少，类似成分的残留液体很少，类似于薄膜分布于枝晶之间。当于薄膜分布于枝晶之间。当共晶转变时，一相就在初晶共晶转变时，一相就在初晶相的枝晶上继续长出，面把相的枝晶上继续长出，面把另一相单独留在枝晶间。另一相单独留在枝晶间。 第五节 共晶合金的结晶4.5.2、共晶合金的结晶方式河工河工北大北大 第五节 共晶合金的结晶4.5

13、.2、共晶合金的结晶方式河工河工北大北大2 2、“晕圈型晕圈型” 离异共晶离异共晶 如果领先相的如果领先相的固固- -液界面全部是液界面全部是慢生长面慢生长面，会被快速生长的第二相晕，会被快速生长的第二相晕圈所封闭，则圈所封闭，则两相与熔体之间就没有两相与熔体之间就没有共同的生长界面共同的生长界面，而只有形成晕圈的，而只有形成晕圈的第二相与熔体相接触，所以原先的第二相与熔体相接触，所以原先的领领先相只能依靠原子通过晕圈的扩散进先相只能依靠原子通过晕圈的扩散进行行，最后形成领先相呈球团状的离异，最后形成领先相呈球团状的离异共晶组织。共晶组织。球墨铸铁的共晶转变是此球墨铸铁的共晶转变是此类。类。

14、如果如果领先相的固领先相的固液界面是各液界面是各向异性向异性的，第二相只能将其慢生长的，第二相只能将其慢生长面包围住，而其面包围住，而其快生长面仍能突破快生长面仍能突破晕圈的包围并与熔体相接触晕圈的包围并与熔体相接触，则晕，则晕圈是不完整的。这时两相仍能组成圈是不完整的。这时两相仍能组成共同的生长界面而共同的生长界面而以共生方式进行以共生方式进行偶合结晶偶合结晶。灰铸铁中的片状石墨与灰铸铁中的片状石墨与奥氏体的共生生长则属此类。奥氏体的共生生长则属此类。第五节 共晶合金的结晶4.5.3、非小面-非小面共晶的结晶河工河工北大北大 相固溶体在相固溶体在相球面上的析出相球面上的析出 领先相富领先相富

15、A组元的组元的固溶体小球析出固溶体小球析出 界面前沿界面前沿B组元原子的不断富集组元原子的不断富集 向前方及侧面的熔体中排出向前方及侧面的熔体中排出A组元原子组元原子 相依附于相依附于相的侧面长出分枝相的侧面长出分枝 相沿着相沿着相的球面与侧面迅速铺展相的球面与侧面迅速铺展 交替进行交替进行 层片状共晶的两种形核、长大方式示意图。层片状共晶的两种形核、长大方式示意图。 第五节 共晶合金的结晶4.5.3、非小面-非小面共晶的结晶河工河工北大北大第五节 共晶合金的结晶4.5.3、非小面-非小面共晶的结晶河工河工北大北大此处此处原子聚集而浓度升高原子聚集而浓度升高 相在此处推进的速度变慢相在此处推进

16、的速度变慢 形成凹坑形成凹坑 原子扩散越发困难原子扩散越发困难 新的新的相片层则在此处形成，相片层则在此处形成， 凝固速度越快，相应的片层距就会越小。凝固速度越快，相应的片层距就会越小。21Rk 相片层中心处相片层中心处原子扩散比原子扩散比-交界要困难得多交界要困难得多 非小晶面向前生长不取决于晶体的性质，只取决非小晶面向前生长不取决于晶体的性质，只取决于热流方向及原子扩散。于热流方向及原子扩散。第五节 共晶合金的结晶4.5.3、非小面-非小面共晶的结晶河工河工北大北大共生协同生长共生协同生长：两相各向其界面前沿排出另一组元原子，由于：两相各向其界面前沿排出另一组元原子，由于相前相前沿富沿富B

17、 B，而，而相前沿富相前沿富A A，扩散速度正比于溶质的浓度梯度，因此横向扩散，扩散速度正比于溶质的浓度梯度，因此横向扩散速度比纵向大的多。共晶两相通过横向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，速度比纵向大的多。共晶两相通过横向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且互相提供生长所需的组元，彼此合作，齐头并进地快速向前生长。且互相提供生长所需的组元，彼此合作，齐头并进地快速向前生长。第五节 共晶合金的结晶4.5.3、非小面-非小面共晶的结晶河工河工北大北大形成棒状共晶的一般条件：形成棒状共晶的一般条件： 如果一相的体积分数小于如果一相的体积分数小于1/1/时，该相将以棒状结构出现；时，该相将以棒状结构出现

18、； 如果体积分数在如果体积分数在 1/ 1/ 之之间时，两相均以片状结构出现。间时，两相均以片状结构出现。 第五节 共晶合金的结晶4.5.3、非小面-非小面共晶的结晶河工河工北大北大第五节 共晶合金的结晶4.5.3、非小面-非小面共晶的结晶河工河工北大北大 A、B两相每相排出第三组元两相每相排出第三组元的原子的原子无法横向扩散，只能向液体内无法横向扩散，只能向液体内部扩散部扩散形成富集层（达到几百个层片形成富集层（达到几百个层片厚度数量级）厚度数量级）在适当的工艺条件下在适当的工艺条件下 (如如GL较较小、小、R较大时较大时)，界面前方液体产，界面前方液体产生成分过冷生成分过冷导致界面形态的改

19、变，形成胞导致界面形态的改变，形成胞状界面状界面 第五节 共晶合金的结晶4.5.4、非小晶面-小晶面共晶的结晶河工河工北大北大 第五节 共晶合金的结晶4.5.4、非小晶面-小晶面共晶的结晶河工河工北大北大 领先相石墨以旋转孪晶生领先相石墨以旋转孪晶生长机制垂直于棱柱面以长机制垂直于棱柱面以1010方向呈片状生长，而方向呈片状生长，而奥氏体则以非封闭晕圈形式奥氏体则以非封闭晕圈形式包围着石墨片（包围着石墨片（0001）基面）基面跟随着石墨片一起长大。跟随着石墨片一起长大。-伸入液相的石墨片前端通过伸入液相的石墨片前端通过旋转孪晶的作用不断改变生旋转孪晶的作用不断改变生长方向而发生弯曲，并不断长方

20、向而发生弯曲，并不断分枝出新的石墨片。奥氏体分枝出新的石墨片。奥氏体则依靠石墨片则依靠石墨片 10T0 方向生长方向生长过程中在其周围形成的富过程中在其周围形成的富FeFe液层而迅速生长，并不断将液层而迅速生长，并不断将石墨片的侧面包围起来。石墨片的侧面包围起来。 在一般工业在一般工业Fe-CFe-C合金中，合金中，由于氧、硫等第三组元杂质由于氧、硫等第三组元杂质的影响，共晶石墨则以旋转的影响，共晶石墨则以旋转孪晶生长机制沿孪晶生长机制沿10T0方向方向生长，从而形成片状石墨结生长，从而形成片状石墨结构的共生共晶组织。如果在构的共生共晶组织。如果在工业铁液中加入工业铁液中加入微量的镁或微量的镁或铈铈等球化元素，也可得到球等球化元素，也可得到球状石墨的离异共晶组织。状石墨的离异共晶组织。第五节 共晶合金的结晶4.5.4、非小晶面-小晶面共晶的结晶河工河工北大北大 。第四章 总结金属金属结晶结晶理论