铸件成形原理 教学课件作者 祖方遒 第4章　单相合金凝固

铸件成形原理第3章所讨论的液-固相变及其形核与生长的内容多以纯金属为对象，但在金属铸造生产及材料凝固研究中，涉及对象大多为合金。对于合金凝固而言，液-固转变的平衡温度不再是固定温度Tm(除了二元合金的特殊成分点，如共晶点、包晶点的情况仍为固定温度外)，而是发生在平衡相图上由液相线及固相线所确定的某一温度区间。合金开始结晶的平衡温度则为对应成分的液相线温度TL，且随着凝固的进行由于液相成分的变化，TL也在发生改变。第4章单相合金凝固另一方面，合金凝固大多为多相组织(除了组元间无限互溶的匀晶合金以及端际固溶体合金以外)，这比纯金属的单相组织凝固要复杂。当然，多相合金的凝固通常是从单相固溶体开始的，故单相固溶体凝固的内容对多相合金也十分重要。本章将介绍单相固溶体凝固，共晶以及包晶多相合金的凝固内容将在第5章介绍。第4章单相合金凝固4.1凝固过程中的溶质再分配

4.2合金凝固界面前沿的成分过冷

4.3成分过冷对合金单相固溶体结晶形态的影响第4章单相合金凝固4.1凝固过程中的溶质再分配4.1.1溶质平衡分配系数

4.1.2平衡凝固条件下的溶质再分配

4.1.3固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质再分配

4.1.4固相中无扩散而液相中只有有限扩散的溶质再分配

4.1.5液相中部分混合(有对流作用)的溶质再分配4.1.1溶质平衡分配系数1.K0的定义及其意义

2.液-固界面局部平衡假设1.K0的定义及其意义图4-1平衡分配系数2.液-固界面局部平衡假设在实际凝固过程中，溶质原子在固、液两相中的扩散速度有限，在界面两侧两相大范围内的成分不可能达到均匀。因此，随着温度下降，C*S及C*L也不可能按平衡相图的液相线及固相线变化，故凝固过程的实际溶质分配系数与K0有较大差别。而且，凝固速度随着冷却速率的增大而增大，这种差别也会随之更显著。尽管如此，凝固理论认为，在通常凝固条件下(在冷却速率处于103℃/s范围内的非“快速凝固”情况［1］)，界面处液、固两相的成分始终处于局部平衡状态，也就是说，对于给定合金，无论界面前沿溶质富集的程度如何，两侧的C*S及C*L值仍符合相应平衡相图，且C*S及C*L的比值在任一瞬时仍等于溶质平衡分配系数K0，此即凝固界面的“局部平衡假设”。这一假设是本节讨论溶质再分配的前提，也是以后一系列常规凝固过程研究工作及其理论计算的基础。4.1.2平衡凝固条件下的溶质再分配图4-2平衡凝固条件下的溶质再分配

a)开始凝固b)温度时的凝固c)凝固完毕d)相图4.1.3固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质再分配图4-3液相充分混合均匀凝固条件下的溶质再分配

a)开始凝固b)温度时的凝固c)凝固完毕d)相图4.1.4固相中无扩散而液相中只有有限扩散的溶质再分配(1)最初过渡区根据图4-4d所示，T=TL时，析出固相成分为C*=K0C0，多余溶质排向液相。

(2)稳定状态区当固相凝固排出的溶质原子等于液相中扩散离开界面的原子数量时，即进入稳定状态。

(3)最后过渡区到了凝固后期剩下液体的体积有限，界面上溶质原子向液体扩散受到限制，于是界面处及其前方液相的溶质浓度又再上升，C*不再保持不变，而逐渐变得比C0/K0要高得多，固相C*也随之急剧上升而大大高于C0，直至凝固结束。图4-4液相只有有限扩散凝固条件下的溶质再分配

a)稳定阶段b)凝固的三个阶段c)凝固过程中的

固相及液相成分d)相图4.1.4固相中无扩散而液相中只有有限扩散的溶质再分配(3)最后过渡区图4-5最初过渡区阶段及

变化示意图(3)最后过渡区图4-6稳定状态时固相及液相的溶质再分配(3)最后过渡区图4-7稳定凝固阶段界面前沿的特征距离

与溶质分布参(3)最后过渡区图4-8R、、对稳定生长阶段(x′)-x′曲线的影响(3)最后过渡区图4-9凝固速度R发生变化时固相成分的改变4.1.5液相中部分混合(有对流作用)的溶质再分配(1)KE=K0(KE最小)发生在＜＜1时［见式(4-13a)］，即慢生长速度和最大的搅动或对流，这时δN很小，相当于前面讨论的液相充分混合均匀的情况。

(2)KE=1(KE最大)发生在＞＞1时，即快生长速度凝固或没有任何对流、δN很大的情况，这相当于液相只有有限扩散的情况。

(3)K0＜KE＜1相当于液相部分混合(对流)的情况，实际工程中常在这一范围。4.1.5液相中部分混合(有对流作用)的溶质再分配图4-10液相有对流的溶质再分配4.2合金凝固界面前沿的成分过冷4.2.1成分过冷的形成及其条件

4.2.2成分过冷形成的判据

4.2.3成分过冷的程度4.2.1成分过冷的形成及其条件图4-11成分过冷的形成条4.2.2成分过冷形成的判据1.液相只有有限扩散条件下的成分过冷判据

2.液相部分混合(有对流)条件下的成分过冷判据1.液相只有有限扩散条件下的成分过冷判据

2.液相部分混合(有对流)条件下的成分过冷判据

4.2.3成分过冷的程度

4.3成分过冷对合金单相固溶体结晶形态的影响4.3.1热过冷对纯物质液-固界面形态的影响

4.3.2成分过冷对合金固溶体晶体形貌的影响规律

4.3.3窄成分过冷作用下胞状组织的形成及其形貌

4.3.4较宽成分过冷作用下的枝晶生长

4.3.5等轴晶的形成与内生生长

4.5.1胞状晶及柱状树枝晶的一次间距

4.5.2柱状树枝晶及等轴树枝晶的二次间距4.3.1热过冷对纯物质液-固界面形态的影响图4-12纯物质液相正温度梯度4.3.1热过冷对纯物质液-固界面形态的影响图4-13纯物质在正温度梯度下维持平面生长4.3.1热过冷对纯物质液-固界面形态的影响图4-14纯物质液相负温度梯度4.3.1热过冷对纯物质液-固界面形态的影响图4-15纯物质在负温度梯度下凝固界面变得不稳定

a)胞状晶发展(示意图)b)侧向分枝(实际树枝晶形貌)4.3.2成分过冷对合金固溶体晶体形貌的影响规律图4-16过冷度与晶体形貌

a)不同过冷度情况b)平面生长

c)胞状生长d)树枝状生长e)内生生长4.3.2成分过冷对合金固溶体晶体形貌的影响规律图4-17、R、对晶体形貌的综合影响示意图4.3.2成分过冷对合金固溶体晶体形貌的影响规律图4-18R变化引起不同成分过冷条件下的镍基超合金CMSX4定向凝固组织形貌(=5℃/mm)

a)R=5mm/hb)R=50mm/hc)R=180mm/h

(注：高温镍基超合金CMSX4的成分为：61.7%,=9.0%,=6.5%,=6.5%,=6.0%,=5.6%,=3.0%,=1.0%,=0.6%)4.3.3窄成分过冷作用下胞状组织的形成及其形貌图4-19胞状晶组织形态

a)四溴化碳胞状晶的纵截面b)规则胞状晶的横截面4.3.3窄成分过冷作用下胞状组织的形成及其形貌图4-20=0.006%的锡合金不同成分过冷(由小变大)胞状晶界面的演变

a)“痘点”状界面b)狭长的胞状晶界面c)不规则胞状晶界面d)规则胞状晶界面

(倾液法实验观察，G/R由2000℃·c·s到350°C·c·s)4.3.4较宽成分过冷作用下的枝晶生长图4-21胞状晶向柱状树枝晶生长的转变

(图示<100>为立方晶体的择优生长方向)4.3.4较宽成分过冷作用下的枝晶生长图4-22不纯铅合金胞状晶分枝4.3.4较宽成分过冷作用下的枝晶生长图4-23Al-20%Cu树枝晶

(=48K/mm,R=25m/s)4.3.4较宽成分过冷作用下的枝晶生长图4-24各向异性对晶体生长方式的作用［CB-8%C(摩尔分数)合金］

a)R＞20，(001)面与玻璃板平行b)R=(5~50)，(111)面与玻璃板平行4.3.4较宽成分过冷作用下的枝晶生长图4-25Al-Mg合金等轴晶的海藻状生

a)相场模拟的生长方式b)AZ91D的实际凝固组织4.3.5等轴晶的形成与内生生长图4-26非小平面晶体的等轴树枝晶

a)八面体微晶发展为树枝晶干的过程示意图b)流场对等轴晶形貌的影

c)亚共晶Sn-Bi合金初生相等轴树枝晶实际形貌4.3.5等轴晶的形成与内生生长图4-27小平面晶体等轴晶生长形貌

a)、b)形貌发展过程示意图c)过共晶Sn-Bi合金凝固组织中铋晶体(此时为小平面相)的实际形貌4.3.5等轴晶的形成与内生生长表4-1不同生长条件下纯金属及合金的界面形貌总结表4-2界面稳定的最小温度梯度与原始成分及分配系数的关系4.3.5等轴晶的形成与内生生长图4-28干扰因素作用下的固-液界面扰动4.3.5等轴晶的形成与内生生长图4-29界面稳定性与干扰波长的关4.3.5等轴晶的形成与内生生长图4-30柱状树枝晶与根部及端部的4.3.5等轴晶的形成与内生生长图4-31环己烷等轴树枝晶不同时刻的二次枝晶间距

a)初始凝固的状态b)比晚20min的的状态4.5.1胞状晶及柱状树枝晶的一次间距1.一次间距λ1与枝晶端部半径r的关系

2.生长速度R及温度梯度G对λ1的影响

3.一次枝晶间距的调整方式1.一次间距λ1与枝晶端部半径r的关系图4-32定向凝固过程的一次间距2.生长速度R及温度梯度G对λ1的影响图4-33界面温度及形态与

凝固速率的关2.生长速度R及温度梯度G对λ1的影响图4-34定向生长中枝晶端部半径r及一次

间距与凝固速率的关3.一次枝晶间距的调整方式图4-35凝固速率及温度梯度对

Al-1%Ti合金定向凝固组织的作用

a)、b)R=8.30mm/s、G=2.20K/mm

c)、d)R=8.30mm/s、G=5.28K/mm

e)、f)R=498.6mm/s、G=5.28K/mm3.一次枝晶间距的调整方式图4-36不同G时琥珀腈-丙酮

合金新树枝晶的产生

(枝晶主干以<001>晶向与热流平行)

a)G=1.06K/mmb)G=1.81K/mm

c)G=3.25K/mm3.一次枝晶间距的调整方式图4-37镍基超合金CMSX4

枝晶的择优生3.一次枝晶间距的调整方式图4-38琥珀腈-水杨酸苯酯合金定向

凝固过程中的调4.5.2柱状树枝晶及等轴树枝晶的二次间距胞状晶及柱状树枝晶在生长过程中，一旦一次枝晶间距确立，只要生长条件不变，则λ1在凝固过程中将不会发生改变。但是，柱状树枝晶及等轴树枝晶的二次枝晶则在生长中经历熟化过程，其二次枝晶