《单相合金的凝固》课件

单相合金的凝固单相合金的凝固是一个重要的金属学现象。它涉及到熔融金属转变为固态的复杂过程。WD引言合金材料广泛应用于工业领域，例如汽车制造、航空航天、电子设备等。了解合金凝固过程对于控制材料微观结构和性能至关重要。凝固过程会影响材料的强度、韧性、耐腐蚀性等。合金的凝固过程是一个复杂的物理化学过程，涉及多种因素。合金凝固的特点11.凝固温度范围合金凝固发生在一个温度范围内，而不是像纯金属那样在一个固定温度点。22.多相凝固合金在凝固过程中通常会形成多种固态相，这些相的成分和结构可能不同。33.偏析现象合金中不同成分的元素在凝固过程中会发生偏析，导致固态合金的成分不均匀。44.凝固组织复杂合金的凝固组织比纯金属的凝固组织更加复杂，受多种因素的影响，例如冷却速率、成分和凝固条件。合金相图合金相图是描述合金在不同温度、成分下相平衡关系的图形。通过相图可以预测合金在不同条件下的相组成和性能。相图中包含的相线、共晶点、共析点等信息，对理解合金的凝固和热处理过程至关重要。相图分为单相区、两相区和多相区。单相区内，合金只含一种相，其成分和结构恒定。两相区内，合金包含两种相，其成分和结构随温度变化而改变。多相区内，合金包含三种或更多相，其成分和结构随温度变化而改变。等温凝固过程等温凝固是指合金在恒定温度下凝固的过程。在此过程中，熔融金属逐渐冷却，当温度降至凝固点时，金属开始结晶。1熔融状态金属处于液态，原子以无序排列。2形核原子开始聚集，形成晶核。3晶核生长晶核不断长大，形成晶粒。4固态所有熔融金属都结晶，形成固态合金。等温凝固过程是一个复杂的物理化学过程，受多种因素影响，包括合金成分、冷却速率、温度梯度等。等温凝固微观结构演变在等温凝固过程中，合金的微观结构发生一系列变化，这些变化与合金的成分、凝固条件密切相关。1晶核形成液态合金中形成固态晶核2晶粒长大晶核在液态合金中不断长大3晶粒碰撞晶粒长大到一定程度，会相互碰撞并融合4最终组织形成最终形成固态合金的微观结构根据合金的成分和凝固条件，最终形成的微观结构可以是单相组织或多相组织，例如：共晶组织、过共晶组织、亚共晶组织等。非等温凝固过程1冷却速率非等温凝固指的是合金在冷却过程中温度不断变化，冷却速率会影响凝固组织。2固相线随着温度下降，液相逐渐转变为固相，固相线表示开始凝固的温度，它会随着成分变化。3微观结构非等温凝固的微观结构受冷却速率和成分的影响，会呈现出不同的晶粒尺寸和形态。非等温凝固微观结构演变核形成在冷却过程中，当温度降至固相线以下时，晶核开始形成。晶核的形成取决于过冷度的大小。晶粒生长随着冷却继续，晶核生长，形成晶粒。晶粒的生长速度取决于过冷度的大小和扩散速度。晶界迁移当多个晶粒生长在一起时，它们之间的界面会发生迁移。晶界迁移的速度取决于晶界能量的大小。偏析在非等温凝固过程中，由于凝固速度不同，合金元素的分布会发生变化，形成偏析。偏析会影响材料的性能。拟沸点线拟沸点线（Liquidusline）是合金相图中的一条重要曲线，表示合金在不同成分下开始凝固的温度。拟沸点线上的点代表合金在该成分下，液相完全凝固的温度。拟沸点线与固相线（Solidusline）之间的区域称为两相区，表示合金在此区域内同时存在液相和固相。共晶组织共晶组织的形成当熔体冷却到共晶点时，两种成分同时结晶，形成共晶组织。共晶组织的特征共晶组织通常由两种或多种相组成，这些相以层状或片状结构交织在一起。共晶组织的性质强度和硬度较高耐磨性好延展性较差过共晶组织过共晶组织形成过共晶合金凝固时，当温度降至共晶温度以下时，首先析出初生相。剩余液相继续冷却，当温度降至共晶温度时，发生共晶反应，形成共晶组织。过共晶组织结构过共晶组织包含初生相和共晶组织，两种组织相互交织。初生相以独立的颗粒形式存在，共晶组织以片状或网状结构分布。过共晶组织性能过共晶组织的机械性能受初生相和共晶组织的性能影响。初生相通常较硬，共晶组织则较软，过共晶组织的强度和韧性介于两者之间。亚共晶组织亚共晶组织包含共晶相和初生相。亚共晶组织位于相图中的亚共晶区。亚共晶组织的微观结构由共晶相和初生相组成，通常初生相呈网状分布。偏析现象成分不均匀合金凝固过程中，不同成分元素在固相和液相中的分配不均匀，导致凝固后合金组织中成分不均匀。微观结构变化偏析会影响合金的力学性能、化学性能和耐腐蚀性能，导致材料性能下降。影响因素偏析的程度受合金成分、凝固速率、冷却方式等因素的影响。偏析的驱动力合金凝固过程中，溶质元素在固相和液相之间的分配不均匀，造成偏析现象。偏析的驱动力是固相和液相中溶质元素的浓度差。溶质元素的扩散速率决定了偏析的程度，扩散速率越低，偏析越严重。其他影响因素包括冷却速度、合金成分和凝固条件等。偏析的条件合金凝固过程中，由于液态金属中溶质元素的扩散速度有限，导致固相和液相之间成分差异，形成偏析现象。偏析的发生受多种因素影响，主要包括：1冷却速度冷却速度越快，溶质元素扩散时间越短，偏析越严重。2溶质浓度溶质浓度越高，偏析越严重。3合金成分不同合金体系的偏析程度不同。4凝固方式定向凝固比等温凝固更容易发生偏析。偏析的实验观察可以使用金相显微镜观察合金凝固后形成的组织，例如通过蚀刻后观察到不同区域的成分差异。还可以使用其他方法，例如电子探针显微分析、X射线衍射分析等，来定量分析不同区域的化学成分。偏析的控制搅拌搅拌可以使熔体均匀，减少偏析。冷却速率快速冷却可以抑制偏析，但可能导致内部应力。模具设计合理的设计模具，使凝固过程均匀，减少偏析。真空熔炼真空熔炼可以减少气体吸附，降低偏析。合金凝固的时间-温度-转变图时间-温度-转变图（TTT图）是描述合金在不同温度下相变过程的曲线图，用于预测特定合金的微观结构。TTT图显示了不同温度下相变过程的起始和结束时间，以及相变过程的路径，例如晶粒生长、相变和相变的动力学。合金凝固的相变动力学热力学因素冷却速度对相变动力学有显著影响。快冷速率会抑制相变，导致非平衡相形成。动力学因素晶核的形成和长大受控于界面能和扩散速率，影响相变速度和组织演变。相变机制合金凝固过程涉及多种相变，包括液固相变、固固相变和相变动力学对其微观结构和性能至关重要。合金凝固组织的形成晶核形成首先，熔体中会形成微小的固态晶核，这些晶核是固相形成的起点。晶体生长晶核一旦形成，就会开始生长，最终形成固态的合金组织。枝晶生长当固相生长时，由于不同晶面的生长速度不同，会形成树枝状的枝晶结构。晶粒长大随着凝固的继续，晶粒会继续长大，并最终形成最终的合金组织。凝固组织的影响因素冷却速度冷却速度越快，晶粒越细小，因为结晶时间越短，晶核更多。溶质浓度溶质浓度越高，晶粒越粗大，因为溶质原子抑制了晶核的形成和长大。过冷度过冷度越大，晶粒越细小，因为过冷度越大，晶核形成速度越快。搅拌搅拌可以促进热量传递，降低过冷度，提高结晶速度，从而得到细小晶粒。环形晶粒和柱状晶环形晶粒通常在凝固初期形成，它们沿着模具壁生长，并逐渐向中心扩展。柱状晶则是由环形晶粒的生长方向发生变化而形成的，它们垂直于模具壁生长。环形晶粒和柱状晶的形成受到凝固速度、热梯度、溶质浓度等因素的影响。浴流晶粒和等轴晶浴流晶粒浴流晶粒是沿着金属凝固方向生长的长条形晶粒，它们通常在金属凝固速度较快时形成。等轴晶等轴晶是形状接近球形的晶粒，它们在金属凝固速度较慢时形成。晶粒细化技术11.添加晶核剂晶核剂可以增加晶核的数量，从而细化晶粒尺寸。22.机械搅拌机械搅拌可以提高熔体的冷却速度，减少晶粒长大时间。33.超声波处理超声波可以产生空化作用，破碎晶粒并形成新的晶核。44.温度梯度控制控制凝固过程的温度梯度可以影响晶粒生长方向和尺寸。固液界面形态固液界面形态是指固相和液相之间的界面形状。界面形态受多种因素影响，例如过冷度、界面能、液相流动、凝固速度等。平面界面、凸起界面和凹陷界面是常见的几种界面形态。界面形态影响凝固过程的热量传递、溶质传递和晶粒生长，进而影响凝固组织的形成。共晶/共析凝固行为共晶凝固两种或多种成分的金属或金属间化合物同时从熔体中析出。共析凝固一种固溶体在固态下分解成两种或多种新的固态相。共晶/共析组织共晶/共析凝固形成的组织具有独特的微观结构特征。金属间化合物的形成原子尺寸因素两种金属原子尺寸相近，易形成金属间化合物。电子结构因素两种金属的电子结构匹配，形成新的化学键。热力学因素金属间化合物的形成降低体系的自由能。马氏体和贝氏体的形成马氏体马氏体是钢铁在快速冷却时形成的一种相。马氏体具有高硬度和高强度，但同时也很脆。贝氏体贝氏体是一种中间相，介于马氏体和珠光体之间。贝氏体具有比马氏体更低的硬度和强度，但同时也更韧。形成过程马氏体是在奥氏体快速冷却时形成的，冷却速度越快，马氏体的含量越高。贝氏体是在奥氏体缓慢冷却时形成的，冷却速度越慢，贝氏体的含量越高。铸造缺陷及其形成机理气孔气孔是铸件中常见的缺陷。气孔的形成与熔体中气体的溶解度和析出有关。高温下熔体中溶解的气体，冷却过程中会析出，形成气泡，最终形成气孔。缩孔缩孔是铸件中常见的缺陷。缩孔的形成与金属凝固过程中的体积收缩有关。铸件冷却过程中，体积收缩会形成空隙，即缩孔。冷隔冷隔是铸件中常见的缺陷。冷隔的形成与熔体流动性不足有关。当熔体流动性不足时，无法完全充满型腔，导致部分区域没有凝固，形成冷隔。夹杂夹杂是铸件中常见的缺陷。夹杂的形成与熔体中杂质的存在有关。熔体中存在的杂质无法完全熔化，最终形成夹杂，影响铸件的性能。凝固工艺设计凝固工艺设计对最终产品性能至关重要，它影响晶粒尺寸、组织形态、偏析程度等。