第七章单相固溶体合金及铸锭的凝固

第七章单相固溶体合金及铸锭的凝固第一页，共三十八页，编辑于2023年，星期四合金凝固时溶质原子要发生重新分布，这将对晶体的生长形态产生影响，并形成宏观和微观偏析。§7.1固溶体合金凝固时溶质的分布图7-1不同KO的相图一.平衡分配系数平衡分配系数：平衡凝固时（假设）界面处固相含溶质量与液相含溶质量的比值。即K0＝（液相线与固相线近似为直线时K0为常数）KO＜1KO＞1第二页，共三十八页，编辑于2023年，星期四二.正常凝固时液－固相线中溶液的分布研究水平园棒的定向凝固，对于KO<1的相图，成分为C0,假设固相中无扩散，液相中可通过扩散、对流和搅拌使溶液混合。（一）液相完全混合时固相、液相的溶质分布:1.完全混合：凝固速度很慢（近平衡），液相中有扩散、对流和搅拌，整个剩余液体中溶质浓度均匀液相中溶液的混合分为三种：完全混合、完全无混合、部分混合。第三页，共三十八页，编辑于2023年，星期四温度固相成分液相成分T0koC0C0(直线)T1koC1C1（直线）T2koC2C2（直线）T3k0C0（直线）T℃TOT1T2T5k0c0c0

k0c1c1k0C2c2

C0C0AB%C1C2C3C4K0C1B%K0<1K0>10

x第四页，共三十八页，编辑于2023年，星期四由此可知：1.对于ko<1相图，固相中溶质富集于右端;对于ko>1

相图,固相中溶质富集于左端。2.定向凝固液相完全混合时造成固相溶质分布不均匀从而产生成分偏析（宏观）：

(1)

k0<1相图，K0↓偏析↑(2)k0>1相图，K0

↑偏析↑3.利用定向凝固产生偏析的原理，可以提纯材料：

(1)k0<1相图，K0↓提纯效果↑(2)k0>1相图，K0

↑提纯效果↑由计算可知，固相及液相中溶质的分布曲线分别为：CL=C0,CS=K0C0X-已凝固量；l-铸锭至型腔距离第五页，共三十八页，编辑于2023年，星期四（二）液相完全无混合时固、液相的溶质分布:完全无混合条件：冷却与凝固速度较快（非平衡）；液相中溶质仅靠扩散混合，无对流及搅拌（边界层有浓度梯度，以C0成分合金凝固为例）；1.凝固初期（Ⅰ阶段）:固相的溶质浓度必为k0C0，界面前沿的液相浓度必然高于C0，离界面较远的地方仍然保持原始成分Co，在界面前沿就出现了浓度梯度，如（b）图及(c)图的第Ⅰ阶段。T℃TOT1T2T5k0c0c0

k0c1c1k0C2c2

C0C0AB%(b)第六页，共三十八页，编辑于2023年，星期四（2）凝固的稳定阶段（Ⅱ阶段）：

当界面成分是C0，前沿的液相成分为C0/k时,如图(b)的T5温度和图(c)的第Ⅱ阶段直至Ⅱ阶段结束。此阶段满足：固相结晶排向液相的溶质量＞溶质原子离开界面排向液相的溶质量。此阶段满足：固相结晶排向液相的溶质量＝溶质原子离开界面排向液相的溶质量。经计算可知界面处液固相的溶质分布为：CS=K0C0(1+)CL=C0(1+)

R—界面迁移速度，D-溶质扩散系数，x—已凝固固相量的长度第七页，共三十八页，编辑于2023年，星期四凝固将要结束时，固液相溶质分布如右图。由此可知：液相完全无混合时铸锭成分较完全混合时均匀。液相完全无混合固、液相溶质分布3.液相部分混合时时固相、液相的溶质分布（实际铸件凝固）：液相部分混合条件：①冷却与凝固速度稍快；②无搅拌，液相主要通过

对流、扩散实现溶质混合；③S/L界面有边界层，边界层有浓度堆积；第八页，共三十八页，编辑于2023年，星期四液相溶质部分混合时，固相、液相溶质的分布（1）初期阶段：①由于液相原子扩散速度较小，边界层成分(CL)i与大体积液相成分(CL)B相差较大，且：(CL)B>C0②固相结晶排出溶质部分进入大体积液相，使边界层中的浓度梯度不断增大如图(d)的第Ⅰ阶段。初期阶段示意图第九页，共三十八页，编辑于2023年，星期四（2）稳定态阶段：①固相排出溶质量=溶质由边界层扩散出的溶质量;②边界层中浓度梯度保持不变;③S/L界面液相浓度(CL)i及大体积液相浓度(CL)B不断增加④(CL)i/(CL)B=K1(常数)一直到凝固终了。经计算界面处：有效分配系数Ke：∵(CL)i/(CL)B=K1,(CS)i/(CL)i=K0

Ke=K0×K1∴(CL)B大体积液相平均浓度第十页，共三十八页，编辑于2023年，星期四有效分配系数Ke：

在“部分混合”时，界面处固相浓度(CS)i与大体积液相浓度平均浓度(CL)B的比值为“有效分配系数”.

Ke---K0的关系：经计算求得：R—界面迁移速度D---溶质扩散系数δ---边界层厚度第十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期四由可知：(1)当R很小时（凝固速度无限缓慢充分对流扩散）属于

(2)当R很大时（无对流及扩散仅靠原子扩散混合）完全混合，≈0,δ≈0，Ke≈K0；≈∞，Ke≈1这属于完全无混合状态；完全混合，≈0,δ≈0，Ke≈K0；(3)R介于二者之间时0＜δ＜∞，K0＜Ke＜l，属于部分混合状态。第十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期四综上所述固溶体三种混合情况液、固相溶质分布如下：（K0<1的相图，稳定状态时）(1)液相完全混合：(2)液相完全无混合：(3)液相部分混合：第十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期四液相四种混合状态的固相中溶质分布定向凝固后固相中溶质的分布曲线(e)直线为平衡凝固;(b)曲线为完全混合-偏析严重;(c)曲线为完全无混合-偏析较轻;(d)曲线为部分混合-界于二者之间.

定向凝固结论：①液相混合越充分,铸锭凝固后溶质分布越不均匀，区域偏析越严重。②利用定向凝固进行提纯材料，液相混合越充分,提纯效果越好。

第十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期四

§7.2固溶体合金的成分过冷一.成份过冷的产生①设K0<1的相图,液相完全无混合，合金成分为C0,进行完全无混合的单向凝固如图（a）;②液相中实际的温度分布图（b）为dT/dx>0,只受壁模和已凝固的固相单向散热所控制;（b）实际散热方向第十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期四③凝固过程中的溶质分布如图(c),某温度液相成分为CL其含B%量高于合金成分C0液相完全无混合,边界层溶质聚集④比较(a)和(c)可知,合金溶液的凝固温度随成份而变化,液相含溶质量越高,凝固温度越低,因而前沿液相中的理论结晶温度分布曲线如图（d）；d与b图画在一起，构成e图，形成前沿液相的成分过冷区，是由实际结晶温度分布和前沿液相理论结晶温度共同决定的。c（d）（e）第十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期四成份过冷的概念:在合金凝固时（液相部分或完全无混合）由于边界层液相溶质分布发生变化，从而引起前沿液相凝固温度变化，与实际温度分布两个因素共同决定的过冷.二、产生成分过冷的条件（临界条件）经计算,产生成分过冷的条件是：GR是G与理论结晶温度相切时的温度梯度，因此产生成分过冷的临界条件是：T理论G-温度梯度；R-结晶速度；m-相图液相线的斜率；D-液相溶质扩散系数；K0-平衡分配系数（推导过程从简）第十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期四由此式可知：G<GR有成分过冷；G≥GR时无成分过冷。T理论三、影响成分过冷的因素（一）合金本身：（GR，成份过冷增大）液相线越陡,合金C0↑,液体中D↓,K0＜l时K0↓;或K0＞1时K0↑,都会促使成分过冷倾向增大。（二)外界条件：温度梯度越小(G↓),R↑,则使成分过冷倾向增大。第十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期四四、成份过冷对固溶体合金长大方式及形态的影响：

C0、R一定时GL对成分过冷的影响成份过冷区的形成给正温度梯度下凝固的单相合金铸锭创造了类似在负温度梯度下凝固的条件，必然影响凝固过程中晶体的长大及其形态，固溶体合金的结晶其界面为“粗糙界面”：①当G≥G1时，无成分过冷，固溶体凝固与纯金属相同，S/L界面垂直长大—平面状;②当G<<G1时,成份过冷较大，晶体呈树枝状长大---树枝晶（如G＝G3）;第十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期四③当G稍<G1时(G2)，有较小的成分过冷，界面以胞状长大----胞状晶.胞状晶形成过程应该指出：固溶体合金在实际生产中，组织形态主要受温度梯度和结晶速度所控制，都具有成分过冷，因此经常长成树枝晶体或胞状树枝晶体。第二十页，共三十八页，编辑于2023年，星期四《材料科学基础》作业（三）一.填空1.固溶体合金，在铸造条件下，容易产生____偏析，用____方法处理可以消除。2.AL－CuAL2共晶属于__型共晶，AL-Si共晶属于__型共晶，Pb－Sn共晶属于__型共晶。3.固溶体合金凝固时有效分配系数ke的定义是__。当凝固速率无限缓慢时，ke趋于__；当凝固速率很大时，则ke趋于__。4.K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____,提纯效果越_____；而K0>1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越____,提纯效果越_____。5.固溶体合金_____凝固时成分最均匀，液相完全混合时固溶体成分偏析（宏观偏析）最___；液相完全无混合时固溶体成分偏析最____，液相部分混合时固溶体成分偏析_________。第二十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期四2.已知A-B二元相图，液、固相线近似为直线且Ko>1合金成分为Co，固相无扩散，液相完全无混合凝固。试画出：1）A-B二元合金相图及液相实际温度分布线。2）边界层液相溶质分布曲线3）由液相溶质分布而引起的液相温度分布曲线并对照相图加以说明（理论温度分布曲线）。4）画出由液相实际温度与理论温度分布曲线组成的成分过冷区并定义何谓成分过冷。第二十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期四4．试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时一定呈树枝状方式长大，而纯金属却得不到树枝状晶体？3.固溶体合金液相完全无混合凝固时，产生成分过冷的临界条件为：1)说明能否产生成分过冷的条件。2)如果外界条件不变，图中C0和C1两合金相比哪个合金产生成分过冷的倾向大？为什么？3)成分过冷对固溶体生成形态有何影响？对于一定成分的合金CO，如何控制外界条件来避免出现粗大的树枝状组织？m为液相线斜率，G为液相实际温度梯度R为液－固界面移动速度且KO<1第二十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期四

§7.2铸造缺陷一.偏析偏析－包括宏观偏析和微观偏析（一）微观偏析（显微偏析）①晶内偏析(枝晶偏析)非平衡结晶中，枝晶与枝晶间先凝固与后凝固的固溶体中含溶质的量不同，从而形成晶粒内部的化学成分不均匀的现象。第二十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期四枝晶偏析可用扩散退火消除②胞状偏析：胞壁即及胞内化学成分不均匀的现象成分过冷较小时，合金形成胞状组织，在胞壁与胞内存在成分偏析，K0<1时胞壁溶质富集，K0>1时胞内溶质富集。第二十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期四胞状偏析示意图晶界偏析示意图③晶界偏析a)图两个晶粒并排生长(晶界平行于生长方向)，由于表面张力平衡条件的要求在晶界与熔液交界的地方就要出现一个凹槽，此处有利于溶质原子的富集凝固后形成了晶界偏析。b)图.两个晶粒彼此面对面生长，结果晶界彼此相遇，在它们之间富集大量溶质，从而造成晶界偏析。第二十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期四（二）宏观偏析（1）正常偏析（正偏析，正常凝固）：对于合金（K0<1）铸锭凝固后，外层固溶体溶质含量低于内层溶质含量为正常偏析。液相混合越充分，凝固后铸件内外溶质差别越大，成分偏析越严重，应减弱液相的混合，减小正常偏析。（2）反偏析（负偏析，反常凝固）：反偏析示意图对于合金（K0<1）铸锭凝固后，外层固溶体溶质含量比内层溶质含量高为反偏析。第二十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期四①原来铸件中心地区的富集溶质元素的熔液，由于铸件凝固时发生收缩而在树枝晶之间产生空隙.形成原因：②加上温度的降低，使熔液中的气体析出而增大压强，把铸件中心溶质浓度较高的液体沿着柱状晶之间的‘渠道”吸至(压至)铸件的外层，形成反偏析。第二十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期四3.比重偏析:比重偏析-由组成相与熔液之间比重的差别较大，凝固时先共晶相的上浮或下沉从而导致铸件中组成相上下分布及成分不均匀，所引起的一种宏观偏折。

(1)增大铸件的冷速，使先共晶来不及上浮或下沉。(2)加入第三种合金元素，形成熔点较高的、比重与浓相接近的树枝状化合物使之首先结晶阻止偏析相的浮沉。预防措施：第二十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期四二、夹杂与气孔因气体析出而形成的空洞，气孔分为析出型和反应型。析出型气孔：溶于液体中的气体在冷却过程中析出，而没有逸出液体之外时形成的。反应型气孔：金属液体冷却过程中发生某种反应所生成的气体保留在金属中所形成的孔洞。2.气孔:1“夹杂”“夹杂”是指混杂在金属中，与基体金属成分、结构都不同的颗粒夹杂物分为两大类。

第三十页，共三十八页，编辑于2023年，星期四缩孔：由于金属凝固之后没有溶液的继续补充，从而出现收缩空洞。三.缩孔：缩孔是一种铸造缺陷，并且难于避免①缩管：溶液由外向内，自上而下冷却时，液面不断下降在铸锭上部形成倒圆锥形的缩管（a）图。1.集中缩孔（b）缩孔(a)缩管②缩孔（缩穴）：铸锭上部已经凝固，下部处于液体状态，凝固时无液体及时补充在中下部形成的缩孔(b)图。集中缩孔要切除掉，应减小集中缩孔的深度。第三十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期四应采取的措施：铸型采用上薄下厚，上大下小加保温桶等措施。固体的枝状长大，枝晶间液体被固相封闭与母相隔离形成的收缩空洞。①一般疏松：被封闭的液体凝固后形成如（c）图。②中心疏松：由于最后凝固的液体气体的析出形成的空洞(d)图。2、分散缩孔：（疏松）(c)一般疏松(d)中心疏松第三十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期四枝晶越发达，疏松越严重。液固相比容差越大，疏松越严重。真空熔炼，可使疏松减轻。措施及影响因素：1.单相柱晶、片层状及杆状共晶的纵向和横向性能差别很大，沿纵向具有较为优良的力学性能。2.在特殊的冷却装置上是逐渐全部由向单一方向延伸的柱晶、片层状或杆状共晶所组成，使其延伸方向与铸件工作应力最大的方向一致，可使这些铸件具有良好的使用性.四、控制铸造金属组织的特殊措施（一)定向凝固第三十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期四当纯金属液体以1010K／S以上、合金液体以105~106K／S以上的冷却速度冷到室温时,将不发生结晶,液体凝固后保持其原来的结构，这种状态叫做非晶态或玻璃态。非晶态金属具有较高的强度和一定的韧性,它的电阻率高，声波衰减率低，耐蚀性高。共晶成分的合金可用较低的冷却速度获得非晶态。（二）制备非晶态合金（三）制取微枝晶合金枝晶间距越小，可使微缩孔细化，偏析成都减小，从而提高铸件的力学性能，枝却微枝晶的基本措施：激冷，且凝固速度越快，枝晶间距越小。第三十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期四1.成份过冷的产生①设K0＞1的A-B二元相图,液相完全无混合凝固，合金成分为C0,进行定向

凝固如图（a）;②液相中实际的温度分布图（b）为dT/dx>0,只受壁模和已