材料科学经典第六章 材料的凝固

1、材料科学经典课件第六章 材料的凝固第1页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 金属的结晶熔化第2页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 金属的结晶第3页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四基本概念凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。结晶：若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。凝固状态的影响因素：物质的本质、熔融液体的粘度、熔融液体的冷却速度。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。结晶是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。第4页

2、，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 第一节 结晶的基本规律一 、液态金属的结构 结构：长程无序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。第5页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四二、 、过冷现象纯金属的冷却曲线第6页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 第一节 结晶的基本规律二、 、过冷现象 （1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。 （2）过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际结晶温度To之差 T=Tm-To 注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷

3、度下进行。 影响因素：金属纯度，冷却速度金属越纯，过冷度越大；冷却速度愈快，过冷度愈大第7页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 第一节 结晶的基本规律三、结晶过程（1）结晶的基本过程：形核长大。（见示意图）（2）描述结晶进程的两个参数 形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。 长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。第8页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四液态金属的结晶过程是一个形核及核长大的过程。当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕育，就会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则排

4、列的各自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生成和长大，直至液体全部耗尽为止。 每个晶核长大至相互接触后，形成外形不规则的小晶体叫做晶粒，由多个这样的小晶粒则组成了多晶体。晶粒之间的界面即为晶界。其中由一个小晶核生成的晶粒称为单晶体。第9页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四一、结晶的热力学条件 第二节 结晶的基本条件 结晶过程不是在任何情况下都能自动发生。自然界的一切自发转变过程总是向着自由能降低的方向进行。在单一的组元情况下： 在恒压下，dp = 0，因此 其中S为熵，为正值；Cp为等压热容量，也是一正值。因此吉布斯自由能G和温度T的曲线总是凹向下的下降形式。 第10页

5、，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四一、结晶的热力学条件 第二节 结晶的基本条件 因为液体的熵值恒大于固体的熵，所以液体的曲线下降的趋势更陡，两曲线相交处的温度Tm，当温度T= Tm时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称Tm为临界点，也就是理论凝固温度。当T Tm时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程。 所以结晶过程的热力学条件就是温度在理论熔点以下。既存在过冷度第11页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四二、结晶的潜热 第二节 结晶的基本条件在T= Tm时：从液体转变为固体，此时有是一放热过程，放出的这部分热量

6、称为结晶潜热。 Gv=Gs-Gl=(Hs-Hl)-T(Ss-Sl) H= Hs-Hl=-LmSs-Sl=-Lm/TmGv=LmT/Tm第12页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第二节 结晶的基本条件 1 热力学条件（2）热力学条件 Gv=LmT/Tma T0, Gv0过冷是结晶的必 要条件（之一）。 b T越大, Gv越小过冷度越大， 越有利于结晶。 c Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。第13页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四2 结构条件第14页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 第二节 结晶的基本条件 2 结构条件（1

7、）液态结构模型 微晶无序模型 拓扑无序模型 （2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。出现几率结构起伏大小实际液体结构是动态的第15页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四晶胚：尺寸较大、能长大为晶核的短程规则排列结构。一定温度下，最大的晶胚尺寸有一个极限值，液态金属的过冷度越大，实际可能出现的最大晶胚尺寸也越大。第16页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第三节 晶核的形成 形核：母相（液相）中形成等于或大于一定临界大小的新相晶核的过程。形核方式：均匀形核，非均匀形核均匀形核：在过冷的液态金属

8、中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力，由晶胚直接成核的过程。非均匀形核：在过冷液态金属中，晶胚依附在其他物质表面上成核的过程。 （凝固形核的主要方式）第17页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无规则均匀形成。 非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。第18页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四晶胚形成时能量的变化体积自由能GV 降低（结晶驱动力） 表面自由能GS 升高（结晶阻力）第19页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 第三节 晶核的形成 1 均匀形核 （1）晶胚形成时的能量

9、变化设 晶胚为球形，半径为r，表面积为S，体积为V，过冷液体中出现一个晶胚时的总的自由能变化（G） GVGv+S =(4/3)r3Gv+4r2 第20页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四Gv=LmT/Tmrrk时,G最大;rrk时,晶胚成为稳定的晶核。GVGv+S =(4/3)r3Gv+4r2第21页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 第三节 晶核的形成 1 均匀形核 2临界晶核dG/dr=0rk=-2/Gv 临界晶核：半径为rk的晶胚。 （3 临界过冷度 rk=-2Tm/LmT临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。Tk. GVGv+S =(4/3

10、)r3Gv+4r2第22页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 减小， rk减小。增大过冷度， rk减小应用：铸造时，增大过冷度，细化晶粒第23页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第24页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四GVGv+S=(4/3)r3Gv+4r2rk=-2Tm/LmT rk=-2/GvGv=LmT/Tm第25页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 第三节 晶核的形成 1 均匀形核 （4）形核功与能量起伏Gk 163/3Gv2 Sk/316Tm23/3Lm2T2 第26页，共110页，20

11、22年，5月20日，22点31分，星期四临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。 能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。高能原子附上低能晶胚，释放能量，提供形核功。第27页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四形成临界晶核（rk）时的过冷度(Tk). TTk是结晶的必要条件。均匀形核是在过冷液态金属中，依靠结构起伏形成大于临界晶核 的晶胚，同时必须从能量起伏中获得形核功，才能形成稳定的晶核 。第28页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四二、形核率 第三节 晶核的形成形核率(N)：单位时间在单位

12、母体（液体）的体积内晶核的形成数目称为形核率。过冷度对形核率的影响 形核率决定于体系中出现结构达到临界尺寸的几率，也受原子活动或迁移能力的影响。 第29页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四均匀形核形核率（N）形核率：单位时间、单位体积内所形成的晶核数目。 过冷度的影响：过冷度增大，rk、 Gk降低，N1增加(与能量起伏几率因子exp(- Gk /kT)成正比)过冷度增大，温度降低，扩散减慢，N2减小(与原子扩散的几率因子exp(-Q/kT)成正比） N=N1.N2 =C exp(- Gk /kT)exp(-Q/kT) 第三节 晶核的形成由于N受N1.N2两个因素控制，形

13、核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。第30页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四均匀形核形核率（N）第三节 晶核的形成纯金属均匀形核的有效过冷度为： Tp=0.2Tm (绝对温度)第31页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 影响形核率的因素 1、随温度的变化关系。 2、临界过冷度。第32页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四三、非均匀形核 如果形核不是在液体内部，如附着在某些已存在的固体(液体中存在的未熔高熔点杂质)，例如在固体上形成球冠形，这时可以利用附着区原液体和杂质的界面能，特别是核心和杂质间可能有小的界面能。这种依附在某

14、些已有的固体上形核称之为非自发形核。 1.能量变化G=Gv*V+(LS*ALS+SB*ASB-LB*ASB)第33页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四三、非均匀形核 1. 能量变化第34页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四2. 作用效果1)过冷度 自发形核与非自发形核的临界半径相同，随着过冷度的增加临界半径减小，形核率将明显上升。2）界面能。第35页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四Gk 163/3Gv2 Sk/316Tm23/3Lm2T2第36页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四Gk非/Gk=(2

15、-3cos+cos3)/4 a) =0时，Gk非0，杂质本身即为晶核； b) 1800时, Gk非0时, Gk非Gk, 杂质促进形核； c.=180时，Gk非Gk， 杂质不起作用。第38页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四三、非均匀形核2) 若LB等于（LSSB），则=0。 说明不用形核，即可直接以基体为心形核。 若（LBLS）等于SB，则=180。 说明基底对形核无效果，即不能在基底上形核。 一般情况下0180。 比较小的，成为活性固体，对形核的促进作用较大。 SB愈小，愈小，促进作用愈大。第39页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四非均匀形核的

16、形核率影响因素：过冷度，固体质点的性质、数量、形貌等。(1)过冷度的影响远低于均匀形核过冷度。(2)固体杂质结构的影响越小，形核率越大 LW=SW+SLcos 点阵匹配原则：晶核与固体杂质结构相似、原子间距相当时促进形核。第40页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四非均匀形核的形核率影响因素：过冷度，固体质点的性质、数量、形貌等。(3)固体杂质表面形貌的影响：凹曲面上、粗糙模壁形核率高(4)物理因素的影响：晶核的机械增殖机械增殖，动力学成核液相的宏观流动会增加形核率；强电场或强磁场能增加形核率。 第41页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四非均匀形核

17、是利用过冷液相中的活性质点或固体界面作基底,同时依靠液相中的相起伏和能量起伏来实现的形核。在非均匀形核时, 临界半径只是决定晶核的曲率半径, 接触角才决定晶核的形状和大小。 角越小，晶核的体积和表面积也越小，形核越容易。第42页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四例：其他条件相同，比较不同铸造条件下铸锭晶粒的大小(1)金属模铸造与砂模铸造；(2)高温浇铸与低温浇铸；(3)铸成薄件与铸成厚件；(4)浇铸是采用振动与不采用振动。第43页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四金属结晶形核要点1、液态金属结晶必须在过冷度下进行，液态金属的过冷度必须大于临界过冷

18、度，晶坯尺寸必须大于临界晶核半径；2、 值大小与晶核表面能成正比，与过冷度成反比；3、均匀形核，需要结构起伏又需能量起伏；4、晶核形成过程是原子扩散迁移过程，因此结晶必须在一定温度下进行；5、在工业生产中，液体金属的凝固总是以非均匀性和方式进行。第44页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四3.4.1 晶体长大的条件第四节 晶体的长大晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界面向液体中推移的过程。平衡状态：(dN/dT)M=(dN/dT)F动态过冷：晶核长大所需的界面过冷度。（远小于形核所需过冷度）晶核长大条件：动态过冷、足够的温度合适的晶核表面结构Ti温度对熔化和凝固

19、速度的影响第45页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四3.4.2 液-固界面的微观结构第四节 晶体的长大光滑界面：液-固界面上的原子排列较规则，界面处两相截然分开。微观上界面光滑，宏观上有若干小平面。粗糙界面：液-固界面上的原子排列较混乱，原子分布高低不平整，在几个原子厚度的界面上，液、固两相原子各占位置的一半。宏观上界面平直。稳定长大过程，界面能量始终保持最低。两种能量低的界面结构：光滑界面，粗糙界面第46页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四粗糙界面（微观粗糙、宏观平整金属或合金的界面）： 垂直长大。光滑界面（微观光滑、宏观粗糙无机化合物或非金属

20、材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。第47页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四液-固界面的微观结构第四节 晶体的长大理论证明：界面粗糙化时，界面自由能的相对变化：Gs/(NkTm)=x(1-x)+xlnx+(1-x)ln(1-x) =Lm/(kTm)为晶体学因子，晶面原子密度小， 小。 2时，x=0.5处，界面能最小，粗糙界面 5时，x靠近0或1处界面能最小，光滑界面第48页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四晶体长大的机制第四节 晶体的长大4.3.1 垂直长大方式 粗糙界面结构，垂直于界面方向长大。特点：长大速度相当快，过冷度小。

21、这种机制适用于多数金属。晶体长大机制：液态原子向固相表面的添加方式。 与固-液界面结构有关晶体长大方式：垂直长大，横向长大第49页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四3.4.3 晶体长大的机制第四节 晶体的长大晶体长大方式：垂直长大，横向长大.4.3.2 横向长大方式(台阶生长机制)光滑界面结构，依靠小台阶接纳液态原子。长大速度较慢，所需过冷度较垂直长大高第50页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四晶体长大的机制第四节 晶体的长大晶体长大方式：垂直长大，横向长大4.3.2 横向长大方式(台阶生长机制)二维晶核台阶生长机制：均匀形核-二维晶核-横向长大

22、特点：长大不连续，速度慢晶体缺陷台阶生长机制：依靠螺型位错或孪晶面生长特点：长大连续，速度较慢第51页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四晶体长大的形态第四节 晶体的长大长大形态：长大过程中液-固界面的形态。两种：平面状长大，树枝状长大取决于：液-固界面结构的类型，界面前沿液相中温度分布4.4.1 液-固界面前沿液相中的温度梯度正温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越高。负温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越低。固液第52页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四4.4 晶体长大的形态第四节 晶体的长大将纯锡熔化，注入模中，缓慢冷却，液体过冷（

23、线1），由模壁形核，向液体中成长，释放潜热，界面温度升高，前沿液体中成现负温度梯度。第53页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四4.4 晶体长大的形态第四节 晶体的长大4.4.2 平面状长大形态液-固界面始终保持平直的表面向液相中长大，长大中的晶体也一直保持规则的形态。条件：正温度梯度，粗糙界面结构的晶体为主第54页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四.4.4 晶体长大的形态第四节 晶体的长大4.4.2 平面状长大形态4.4.3 树枝状长大形态液-固界面不断分支发展条件：负温度梯度特点：有方向性，取决于晶体结构枝臂间距：邻近的两根二次轴中心线之间的距

24、离。冷却速度大，枝臂间距小，强度、塑性好第55页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第四节 晶核的长大 1 晶核长大的条件 （1）动态过冷动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件-动力学条件） （2）足够的温度 （3）合适的晶核表面结构。第56页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 第四节 晶核的长大 2 液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面（微观粗糙、宏观平整金属或合金的界面）： 垂直长大。光滑界面（微观光滑、宏观粗糙无机化合物或非金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。第57页，共110页，2022年，5月20

25、日，22点31分，星期四 第四节 晶核的长大 2 液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面（微观粗糙、宏观平整金属或合金的界面）：垂直长大。光滑界面（微观光滑、宏观粗糙无机化合物或非金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。第58页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 第四节 晶核的长大 3 液体中温度梯度与晶体的长大形态 （1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高） 粗糙界面：平面状。 光滑界面：台阶状。 第59页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 第四节 晶核的长大 3 液体中温度梯度与晶体的长大形态 （2）负温度梯度（液体中距

26、液固界面越远，温度越低） 粗糙界面：树枝状。 光滑界面：树枝状多面体台阶状。第60页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四负温度梯度下晶体的长大第四节 晶核的长大关于树枝晶：按树枝方式生长的晶体称为树枝晶，先凝固的称为主干，随后是分支，再分支。值得指出的是：纯净的材料结晶完毕见不到树枝晶，但凝固过程中一般体积收缩，树枝之间若得不到充分的液体补充，树枝晶可保留下来； 生长中晶体分支受液体流动、温差、重力等影响，同方向的分支可能出现小的角度差，互相结合时会留下位错； 或材料中含有杂质，在结晶时固体中的杂质比液体少，最后不同层次的分枝杂质含量不相同，其组织中可见树枝晶。第61页，

27、共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 图4-26 纯铅的树枝状晶体 图4-27锑锭表面的树枝晶第62页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四五、非金属晶体的长大 第四节 晶核的长大 在正温度梯度下，等温面和有利的晶体表面不相同时，界面会分解为台阶形。 在表面的台阶处有利晶体的生长，这时原子从液体转移到固体中增加的表面积较小，台阶填充完后在表面生长也需要一定的临界尺寸，表现为非金属生长的动态过冷度比金属大，可达到35，其中特别是螺位错造成的表面台阶对生长有利，并且是永远填不满的台阶。第63页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第五节

28、固溶体合金的凝固 固溶体凝固的条件 1、热力学条件-过冷度 2、结构条件-结构起伏（相起伏） 3、能量条件-能量起伏 4、动力学条件-动态过冷度 5、成份条件-成分起伏成份起伏：指材料内微区中因原子的热运动引起的瞬间偏离溶液的平均成分，出现时起时伏、此起彼伏的现象。第64页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第65页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四二、固溶体中溶质的分布 由于固溶体凝固中，析出固体的成分与液体不相同，并且在凝固时达不到平衡，所以凝固后溶质的分布是不均匀的，当然这种不均匀有时也可带来有利的利用。下面仅就几种特例讨论。 如图所示相图的

29、一部分，在温度t时，平衡的液固相成分的比，称为平衡分配系数。 实际凝固时原子的迁移需要一过程，液体和固体的成分达不到相图所示的平衡状态，这时分析采用“有效分配系数”，它定义为：有效分配系数不是一常数，而是随凝固过程有所变化。固溶体的平衡凝固 第66页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四图4-13 两种K0情况a)k01第67页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四图4-15 原始浓度为C0(k01)的合金熔液在凝固后得到的溶质分布曲线a-平衡凝固；b-熔液中溶质完全混合；c-熔液中溶质只借扩散而混合d-熔液中溶质部分地混合第68页，共110页，2022

30、年，5月20日，22点31分，星期四凝固的几种情况 （1）平衡冷却时固相的溶质分布 （2）固相中不扩散、液体中溶质完全混合的情况 凝固速度非常缓慢曲线b所示，它可在圆棒的一端到另一端产生显著的浓度差异（通常把这种宏观范围的浓度不均匀性称为宏观偏析） 第69页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四液-固界面处液-固两相的浓度保持局部平衡，并且固相中不发生扩散 当圆棒凝固到Z距离时剩余液相的平均浓度应为 在k01，则溶质富集于左端，并且k0越大，此效应越显著。第70页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 （3）液体中仅通过扩散而混合的情况（液相完全不混合）

31、凝固速度非常快在稳定态，液相的溶质成分分布可用下式表示Z是距界面的距离；R是界面移动速度；D是溶质在液体中的扩散系数。第71页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四4、一般情况：熔液中溶质部分地混合第72页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 （4）液体中溶质部分混合的情况 图4-15 原始浓度为C0(k01)的合金熔液在凝固后得到的溶质分布曲线a-平衡凝固；b-熔液中溶质完全混合；c-熔液中溶质只借扩散而混合d-熔液中溶质部分地混合第73页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四二、成份过冷 （1）成分过冷的概念 纯金属熔液在凝固时

32、理论凝固温度（熔点）不变，过冷完全取决于实际温度的分布，这样的过冷叫做热过冷。在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生变化，改变了液相的熔点（即由相图中的液相线所决定），此时过冷度是由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定的，称为成分过冷。第74页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四距界面的距离图4-18 K01合金的成分过冷示意图第75页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四（2）出现成分过冷的临界条件 若 则发生成分过冷。G 固液界面前沿液相中的实际温度梯度；R 结晶速度；m相图上液相线的斜率；D溶质的扩散系数；k0分配

33、系数（3）影响成分过冷的因素 a、合金本身：液相线越陡，合金含溶质浓度越高，液体中扩散系数越小，K01时K0值越大，都会促使成分过冷倾向增大。b、外界条件：温度梯度越平缓，凝固速度越快，则成分过冷倾向增大。第76页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四固溶体合金凝固时的生长形态 1、 固溶体凝固时，若不出现成分过冷，晶体生长形态基本上与纯金属相似，例如在正的温度梯度下，液-固相界面基本上保持平面状向前推移 2、随着成分过冷的增大，固溶体晶体由平面构向胞状、树枝状的形态发展。 第77页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四c)未抛光，未浸蚀，斜照明 150

34、d)未抛光，未浸蚀，明场 150b)未抛光，未浸蚀，斜照明 150a)未抛光，未浸蚀，明场 150c)未抛光，未浸蚀，明场 150f)未抛光，未浸蚀，暗场 150图4-20 Sn-0.05%Pb（重量）合金铸件的液-固相界面（用倾倒法显示）a)成分过冷很小，相界面几乎平直，只要晶界处有沟槽；b)成分过冷逐渐增大，相界面上出现一些节点（凹陷坑），不再是平面；c)过冷度继续增大，节点增加，并伸长，趋于连结；d)成分过冷再增大，出现条带状的胞状组织；e)成分过冷进一步增大，形成六角状的规则胞状组织；f)成分过冷再继续加大，胞状组织变得不规则第78页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，

35、星期四图4-20 Sn-0.05%Pb（重量）合金铸件的液-固相界面（用倾倒法显示a)成分过冷很小，相界面几乎平直，只要晶界处有沟槽；b)成分过冷逐渐增大，相界面上出现一些节点（凹陷坑），不再是平面；c)过冷度继续增大，节点增加，并伸长，趋于连结；d)成分过冷再增大，出现条带状的胞状组织；e)成分过冷进一步增大，形成六角状的规则胞状组织；f)成分过冷再继续加大，胞状组织变得不规则第79页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四a)b)图4-21 规则的胞状组织（未抛光，未浸蚀） 150a) 横向；b) 纵向图4-22 Cu-10%Co(原子)合金铸件的扫描电子显微镜照片(基体

36、被选择性腐蚀掉而显示出Co树技晶) 150第80页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第六节、共晶合金的凝固 （1）金属-金属型共晶 共晶大多是层片状或棒状共晶 a、共晶中两相组成的相对量(体积百分比) b、共晶中两相组成相配合时的单位面积界面能 第81页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四图4-36 层片状共晶的形核与生长示意图a) 层片交替形核生长；b) 搭桥机构图4-37 层片状共晶凝固时的横向扩散示意图第82页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四凝固速度R与层片状共晶的层片间距有下列关系：第83页，共110页，2022年

37、，5月20日，22点31分，星期四（2）金属-非金属型共晶 共晶常呈复杂的形态，在显微磨面上表现为树枝状、针片状和骨胳状等等。看起来好象是分散的第二相，实际上在每个共晶领域内是互相连成整体的 图4-42 两种共晶的结晶前沿a) 金属-金属型共晶；b) 金属非金属型共晶第84页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第85页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四共晶合金中含有第三组元(杂质)，那末在共晶凝固时两组成相都要排出杂质，在结晶前沿的熔液中就能建立成分过冷区，当达到一定的值时，结晶前沿就会弯曲而呈胞状生长(图4-39)。图4-40a)和b)分别是定向

38、凝固Al-Mg2Al3合金的共晶胞状 图4-39 共晶体的胞状组织（纵断面）示意图a)b)图4-40 定向凝固Al-Mg2Al3合金的共晶胞状组织（凝固方向自下而上） 200a) 纵断面：每个共晶领域内Mg2Al3（暗黑色）与Al（白亮色）交替的两相层片呈扇状排列b) 横断面：由Mg2Al3（暗黑色）与Al（白亮色）组成的每个共晶领域呈蜂窝状第86页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四在金属-非金属型共晶中适当地加入第三组元，共晶组织可能会发生很大的变化。例如在Al-Si合金中加入少量钠盐，可使共晶生长时的硅晶体分枝增多和细化。又如往铸铁加入少量的镁合稀土元素，会使石墨生

39、长时不发生分叉而呈球状。这称为“变质处理” Al-Si合金加钠盐变质，可能有如下几方面原因使变质共晶中的形核增多：（1）降低表面能；（2）液-固相界面前沿的液体中变质剂浓度较高，约束了硅晶体的生长，相对地使形核率增大；（3）变质剂使潜在核心“钝化”，一直等到有较大过冷度时，大部分潜在核心能同时形核，因而使组织细化 第87页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第六节 制造工艺与凝固组织 一、细化晶粒的方法 1、增加过冷度 2. 变质处理 3. 振动 . 电磁搅拌第88页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四一、细化铸态金属晶粒 金属结晶后，获得由大量晶粒

40、组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。在一般情况下, 晶粒越小, 则金属的强度, 塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化, 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。 细化铸态金属晶粒有以下措施。第89页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 1、增加过冷度 一定体积的液态金属中,若形核率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3s)越大, 则结晶后的晶粒越多, 晶粒就越细小; 晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度, m/s)越快, 则晶粒越粗。 第90页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 随着过冷

41、度的增加, 形核速率和长大速度均会增大。但前者的增大更快，因而比值N/G也增大, 结果使晶粒细化。第91页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度, 采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。第92页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四2. 变质处理 变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝等。3. 振动在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以

42、破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。4. 电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。第93页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四铸锭的组织第94页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四铸锭的组织表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。特点：晶粒细小，组织致密，机械性能良好。第95页，共110页，2022年，5月20日

43、，22点31分，星期四柱状晶区 随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。 第96页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固点以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大。力学性能 表层硬柱状区有方向性中心疏松、多杂质第97页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四2、铸锭（件）组织的控制 有利于柱状晶区发展的因素有：快的冷却速度（提高铸锭模的冷却能力）；高的浇注温度、浇注速度（增大温度梯度）；和方向性的散热等。第98页，共110页，2022年，5月20日，22点31分，星期四有利于等轴晶区发展的因素有：慢的冷却速度，低的浇注温度，均匀散热，变质处理和