材料科学基础7

1、熔化熔化炼钢炼钢 浇注浇注 炼铜炼铜 凝固：物质从液态到固态的转变过程。凝固：物质从液态到固态的转变过程。 若凝固后的物质为晶体，则称之若凝固后的物质为晶体，则称之 为结晶。为结晶。 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。寿命。 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。供基础。补充补充 材料结晶的基本规律材料结晶的基本规律1 1 液态材料的结构液态材料的结构 结构：长程无序而短程有序。结构：长程无序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混

2、乱。数较小、原子排列较混乱。2 2 过冷现象过冷现象 supercoolingsupercooling （1 1）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。（2 2）过冷度：液体材料的理论结晶温度）过冷度：液体材料的理论结晶温度(T(Tm m) ) 与其实际温度与其实际温度之差。之差。 T=TT=Tm m-T (-T (见冷却曲线见冷却曲线) ) 注注: : 过冷是凝固的必要条件过冷是凝固的必要条件 ( (凝固过程总是在一定的过冷度下进行凝固过程总是在一定的过冷度下进行) )。 这是一种过度冷却的水（约零下这是一种过度冷却的水（约零下

3、2121摄氏度）。摄氏度）。一开始的时它是液体，但倒进碗里就马上变成一开始的时它是液体，但倒进碗里就马上变成冰水混合物状冰水混合物状 第一节第一节 材料凝固时晶核的形成材料凝固时晶核的形成 一、均匀形核一、均匀形核TSHGG0转变的热力学条件为转变的热力学条件为GSTSSdTdG且且恒恒为为正正值值液态金属原子排列的混乱程度比固态大很多，所以液态金属原子排列的混乱程度比固态大很多，所以SLSS GSTSSdTdG且且恒恒为为正正值值其中的其中的T Tm m表示该温度下，表示该温度下，液固自由能相等，该温液固自由能相等，该温度就是金属的理论凝固度就是金属的理论凝固温度温度1 1 热力学条件热力学

4、条件（2 2）热力学条件）热力学条件 G Gv v= =L Lm mT/TT/Tm m a a T0, T0, G Gv v00b 1800时时, , G Gk k非非 TTB B第三节第三节 固溶体合金的凝固固溶体合金的凝固 一一 合金凝固的三种典型情况合金凝固的三种典型情况1 1 平衡凝固平衡凝固平衡分配系数，在一定温度下，固、液两平衡相中溶质平衡分配系数，在一定温度下，固、液两平衡相中溶质 浓度的比值。浓度的比值。110或或者者小小于于大大于于Lsxxk x0 x1x3x2t0t1t3t2K0 x0K0 x1K0 x2K0 x3x0B%T/平衡结晶时，液相的成分沿着液相线变化，固相的成平

5、衡结晶时，液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化分沿着固相线变化 a 平衡凝固过程平衡凝固过程L S L S L S L S LS S Lt=t1x0 x0 x1x1x1x2K0 x0K0 x1K0 x1K0 x2t=0t=t1t=t2t=t2t=t3t=t3B%B%x2K0 x2K0 x2K0 x3=C0s3x2K0 x3综上所述，固溶体平衡凝固过程是综上所述，固溶体平衡凝固过程是: :形核形核相界平相界平衡衡扩散破坏平衡扩散破坏平衡长大长大相界平衡相界平衡.随着温度降低，此过程重复进行，直至熔液全部随着温度降低，此过程重复进行，直至熔液全部转变为相同成分的均匀固溶体为止。转变为

6、相同成分的均匀固溶体为止。2 2 不平衡凝固不平衡凝固（1 1）固相内无扩散，液相内达到完全均匀化）固相内无扩散，液相内达到完全均匀化TxxEXmaxXLXsx0LT1T2T3固固液液xsxLx0k0 x0 xxx0k0 x0 xExmax沿棒距离沿棒距离X Xb)C)（2 2）固相内无扩散，液相内只有扩散而没有对流原子只能部）固相内无扩散，液相内只有扩散而没有对流原子只能部分混合分混合n凝固速度很快，界面很快推移，边界层中溶质凝固速度很快，界面很快推移，边界层中溶质迅速富集。由于液相中完全不混合，当固相中迅速富集。由于液相中完全不混合，当固相中由由k k0 0 x x0 0提高到提高到x x

7、0 0时，大体积液相中溶质浓度仍保时，大体积液相中溶质浓度仍保持持x x0 0，液固界面仍处在两相平衡，液固界面仍处在两相平衡(x(xL L) )i i=x=x0 0/k/k0 0, ,一一直保持该数值直保持该数值. .n初始过渡区建立后，固相溶质浓度保持初始过渡区建立后，固相溶质浓度保持x x0 0, ,边边界层外液相浓度也保持界层外液相浓度也保持x x0 0。直至凝固结束，剩。直至凝固结束，剩余液相很少时，由于质量守恒，剩余液相浓度余液相很少时，由于质量守恒，剩余液相浓度迅速升高，故凝固结束后合金棒的末端又出现迅速升高，故凝固结束后合金棒的末端又出现一个富含溶质的末端过渡区。一个富含溶质的

8、末端过渡区。SLx0k0 x0SLx0k0 x0k0 x0 x0稳态稳态起始起始瞬态瞬态最终最终瞬态瞬态a)b)X0/k0合金凝固三种情况的溶质分布曲线比较合金凝固三种情况的溶质分布曲线比较二二 成分过冷及其对晶体生长的影响成分过冷及其对晶体生长的影响固相内无扩散，液相内只有扩散而没有对流原子只能部分混合固相内无扩散，液相内只有扩散而没有对流原子只能部分混合SLx0k0 x0 x0 x3S L 温度TT3浓度温度界面x0界面距离 ZZZT0(b)(c)(d)Z界面T0GR温度(e)T3T3X3T0临界过冷温度梯度：临界过冷温度梯度：界面界面dZdTGeCRZ界面T0GR温度TL成分过冷条件：成

9、分过冷条件：LRCTGTxxEXmaxXLXsx0LT1T2T3其中，临界过冷度为其中，临界过冷度为vDTTGCR31影响成分过冷的因素有：影响成分过冷的因素有： (1) 钢锭或铸件中的温度梯度，当温度梯度变得平缓，有利钢锭或铸件中的温度梯度，当温度梯度变得平缓，有利于成分过冷；于成分过冷； (2) 凝固速度凝固速度v; (3) 合金凝固范围合金凝固范围(T1-T3)vDTTGCR31成分过冷及其对成分过冷及其对晶体生长形态晶体生长形态的影响（正温的影响（正温度梯度下），度梯度下），成分过冷由小成分过冷由小到大，晶体生到大，晶体生长形态：平面长形态：平面状胞状树状胞状树枝状。枝状。第四节第四节

10、 共晶合金的凝固共晶合金的凝固 一一 共晶合金的凝固共晶合金的凝固和纯组元一样，共晶体生长特性取决于两个组元各自的熔和纯组元一样，共晶体生长特性取决于两个组元各自的熔化熵。化熵。1 1 两个低熔化熵的组元组成的共晶两个低熔化熵的组元组成的共晶大多数金属构成的共晶合金均属于这种情况，共晶中的大多数金属构成的共晶合金均属于这种情况，共晶中的两相以层片状或棒状平行生长两相以层片状或棒状平行生长（1 1）当某一相的体积分数小于）当某一相的体积分数小于1/1/，则采取棒状形态生长。，则采取棒状形态生长。因为体积分数一定的条件下，棒状比层片状具有更低的表面因为体积分数一定的条件下，棒状比层片状具有更低的表

11、面能。能。（2 2）当某一相的体积分数超过总体积分数的）当某一相的体积分数超过总体积分数的1/1/，多采用，多采用层片状生长，因为层片状表面单位表面积表面能低。层片状生长，因为层片状表面单位表面积表面能低。（3 3）纯共晶合金，无成分过冷现象。）纯共晶合金，无成分过冷现象。2 2 低熔化熵和高熔化熵组元组成的共晶低熔化熵和高熔化熵组元组成的共晶这是金属与非金属（或者类金属）组成的共晶这是金属与非金属（或者类金属）组成的共晶AlAlSiAlSi图图6 620 Al-Si 20 Al-Si 共晶生长共晶生长3. 3. 两种高熔化熵组元的共晶。两种高熔化熵组元的共晶。在共晶凝固中两相各自独立形核与成

12、长，没有结晶学关系，在共晶凝固中两相各自独立形核与成长，没有结晶学关系，共晶组织很不规则。共晶组织很不规则。二二 杂质对共晶生长的影响杂质对共晶生长的影响1 1 杂质对第一类共晶生长的影响杂质对第一类共晶生长的影响（a a）使纯共晶的平面式生长变为胞状生长。）使纯共晶的平面式生长变为胞状生长。（b b）杂质还可以片状共晶结构改变为棒状共晶。）杂质还可以片状共晶结构改变为棒状共晶。2 2 杂质对第二类共晶生长的影响杂质对第二类共晶生长的影响（a a）加入变质剂的影响）加入变质剂的影响Al-SiAl-Si合金变质剂的影响合金变质剂的影响第五节第五节 制造工艺与凝固组织制造工艺与凝固组织 一一 铸锭与铸件的凝固组织及其偏析铸锭与铸件的凝固组织及其偏析1 1 凝固组织凝固组织铸锭三区铸锭三区 表层细晶区表层细晶区( (强过冷强过冷, ,非均匀形核非均匀形核) ) 柱状晶区柱状晶区( (纯金属纯金属: :过冷度减小过冷度减小, ,形核困难形核困难, ,沿散热方向生长沿散热方向生长; ; 合金合金: :成分过冷成分过冷, ,一次轴发达一次轴发达, ,沿散热方向生长沿散热方向生长. ). ) 中心等轴晶区中心等轴晶区( (均匀散热、液相区成均匀散热、液相区成 分过冷、熔体对流导分过冷、熔体对流导 致细晶漂移或枝晶破致细晶漂移或枝晶破 碎。）碎。） （1 1）宏观偏析）宏