材料成型理论基础课件 成形原理41

Chapter4Solidificationofsingle-phaseandmulti-phasealloys

第四章单相合金与多相合金的凝固华中科技大学吕书林

§4-2

共晶合金的凝固§4-2

EutecticSolidification§4-2

共晶合金的凝固§4-2

EutecticSolidification231、共晶合金的特点共晶结晶形成的两相混合物，具有多种多样的组织形态。一、共晶组织的特点和共晶合金的分类宏观形态:平面生长、胞状生长、枝晶生长、柱状晶(共晶群体eutecticcolony)到等轴晶(共晶团eutecticcell)。微观形态：共晶体内两相析出物的形状与分布，与组成相的结晶特性、它们在结晶过程中的相互作用、具体结晶条件有关。42、共晶合金的分类（1）

非小平面—非小平面共晶合金（规则共晶合金）

结晶过程中，共晶两相和均具有非小平面生长的粗糙界面，组成相的形态为规则的棒状或层片状。金属—金属共晶合金（2）

非小平面—小平面共晶合金（非规则共晶合金）结晶过程中，一个相的固/液界面为非小平面生长的粗糙界面，另一个相则为小平面生长的平整界面金属—非金属共晶合金5二、共晶合金的结晶方式1、共生生长

共晶点附近的非共晶成分的合金，快速冷却到两条液相线的延长线所包围的影线区域时，某一相先析出、然后再在其表面上析出另一个相，开始两相竞相析出共晶的凝固过程。共晶共生区非共晶成分发生共晶凝固而获得的共晶组织为伪共晶组织。原因：冷却速度、过冷度对称型共晶的条件：组元熔点、液相线形状、两相性质等。6（a）（b）（c）图4-14共晶相图及共晶共生区示意图（a）热力学型；（b）对称型；（c）非对称型共晶共生区分类：对称型和非对称型。实际共晶共生区7图非小平面－非小平面共晶共生区ΔT,R特殊情况：共晶两相没有共同的生长界面，它们各以不同的速度独立生长。图4-16晶间偏析型离异共晶组织晶间偏析型离异共晶组织“晕圈”封闭型离异共晶组织82、离异生长即两相的析出在时间上和空间上都是彼此分离的，因而在形成的组织上没有共生共晶的特征。这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所形成的组织称为离异共晶。a)不完整晕圈下的共生生长“晕圈”封闭型离异共晶组织（封闭领先相）b)完整晕圈下的离异生长9三、规则共晶凝固10球形共晶的形核与长大（共晶团）α领先相共晶核心β相以α相为衬底，侧面生长散射状球形共晶1、层片状共晶的生长共晶生长的Jackson-hunt模型

a）α和β共生生长;b）共晶生长界面前的溶质B的分布;

c）共晶生长界面过冷度分布;

d）共晶生长界面简化模型与坐标系.式中：——为因曲率半径作用

而引起的过冷；——层片间距。11(a)(b)(c)(d)的大小决定Tc和Tr的主次作用。12(a)(b)(c)(d)

最小过冷度原理：当生长速率给定后，共晶相生长的实际间距应使生长过冷度获最小值。令,可求出共晶相片间距：λ=A·R-1/213组织中一个相以棒状或纤维状沿生长方向规则地分布在另一相的连续基体中。2、棒状共晶r——六边形等面积圆的半径，代替间距14（1）两相体积分数对共晶结构的影响

α，β两固相间界面张力相同的情况下，当某一相的体积分数远小于另一相时，则该相以棒状方式生长。

层片状结构：1/<fα<1/2棒状结构：fα<(1/)0.3215（2）第三组元对共晶结构的影响

第三组元在共晶两相中的分配数相差较大时，其在α相的固/液界面前沿富集，α相长大受阻；而在β相的固/液界面前沿富集较少，β相生长速度快。落后生长的α相将被长大快的β相隔成筛网状组织，发展成棒状。图4-21αβαβ四、非规则共晶凝固非规则共晶：金属－非金属相（非小平面－小平面）非金属－非金属相（小平面－小平面）1、Fe-G（石墨）的非规则共晶16A型石墨D型石墨深腐蚀扫描照片更清楚[Fe-G（石墨）的非规则共晶]17b)[1010]方向上以旋转挛晶台阶生长c)[0001]方向以螺旋位错生长18图4-22石墨的生长示意图a)密排六方晶体结构19片状石墨分枝模型石墨与奥氏体的共晶体第三组元的影响20铸铁的球化处理：第三组元Mg(0.03~0.05%)21＋Mg等片状石墨球状石墨球状石墨的放射状多晶结构（20～30个锥体状单晶体组成，外表面由(0001)面覆盖）离异共晶生长方式：C原子扩散穿过A包围圈！(a)石墨结构(b)石墨球照片图4-24球状石墨b)[1010]方向上以旋转挛晶台阶生长c)[0001]方向以螺旋位错生长22图4-22石墨的生长示意图S、O作为活性元素减小台阶处界面张力、且吸附在螺旋位错出口处。Mg的加入，脱S和O元素，促进[0001]方向生长。232、Al-Si合金的非规则共晶凝固加入铝液中的Na、Sr等变质元素因选择吸附而富集在台阶等处，阻滞了硅原子或硅原子四面体的生长速度，从而导致硅晶体生长形态的变化。(a)变质前，板片状(b)变质后，球粒状图4-25铝硅合金变质前后的共晶硅组织24Al-Si合金的共晶组织未变质共晶硅SEM800×共晶硅25加入钠盐变质后共晶硅变质SEM800X变质后的共晶硅，球粒状26未变质初晶硅§4-3

偏晶合金和包晶合金的凝固§4-3

SolidificationofMonotecticAlloyandPeritecticAlloy偏晶相图27图4-27(a)(b)(c)L2在表面形核，并排长大。L2不能在表面形核，孤立长大。L2与完全润湿。交替分层。28图定向包晶凝固过程

WC0—

合金原始成分WP

—

包晶反应液相成分29图4-28若扩散不充分，中心残留，成多相组织。但是，碳钢的包晶反应较彻底。30利用包晶反应进行晶粒细化：

Al-Ti状态图与铝中添加Ti对晶粒数量的影响L十TiAl3→αTiAl3(四方)与铝(面心立方)的晶格型式相似，晶格常数相近：CTiAl3＝85.7nm，2CAl＝80.8nm，相差仅5.7。TiAl3质点可作为α（Al）的非自发晶核。未加Ti加0.05%Ti31*透明有机物凝固观察：改变晶粒形态§

4-4对流对凝固组织的影响及半固态金属的凝固向上成长的环已醇（Cyclohexanol）柱状树枝晶的先端到了虚线的位置时，液体从右向左以0.3mm/s速度流动（×25）32半固态晶粒生长过程

a.搅拌因素b.冷却因素333)/(/gSgSiRRVVf==)10(<<if晶粒形状因子fi34晶粒形态方程

LgsdCCdadfdf=固相无扩散，液相有对流35vRief2-=dLDRief-=vDL2=dR为晶粒生长速度（取决于冷却条件）V为液体对流速度（取决于搅拌速度）36vRief2-=R为晶粒生长速度（取决于冷却条件）V为液体对流速度（取决于搅拌速度）37