第4章单相合金与多相合金的凝固课件.ppt

1、.按照液态金属凝固过程中晶体形成的特点，合金分为：按照液态金属凝固过程中晶体形成的特点，合金分为：单相合金单相合金指在凝固过程中只析出一个固相的合金，指在凝固过程中只析出一个固相的合金，如固溶体、金属间化合物；如固溶体、金属间化合物；多相合金多相合金指在凝固过程中同时析出两个以上新相的指在凝固过程中同时析出两个以上新相的合金，如具有共晶、包晶或偏晶转变的合金。合金，如具有共晶、包晶或偏晶转变的合金。.凝固过程中溶质传输的主要理论基础是质量传输的两个扩散凝固过程中溶质传输的主要理论基础是质量传输的两个扩散定律：定律：菲克第一定律：对于一个菲克第一定律：对于一个A、B物质的二元系或多元系，溶质物质

2、的二元系或多元系，溶质A在扩散场在扩散场中某处的扩散通量与溶质在该处的浓度梯度成正比；中某处的扩散通量与溶质在该处的浓度梯度成正比；菲克第二定律：对于不稳扩散，在一维扩散的情况下，扩散场任一点的菲克第二定律：对于不稳扩散，在一维扩散的情况下，扩散场任一点的浓度随时间的变化率与该点的浓度梯度随空间的变化率成正比。浓度随时间的变化率与该点的浓度梯度随空间的变化率成正比。dxdAACDJ2xtAACDC2.第一节 单相合金的凝固一一 固固-液界面前言的溶质再分配现象液界面前言的溶质再分配现象二二 平衡凝固时的溶质再分配平衡凝固时的溶质再分配三三 近平衡凝固时的溶质再分配近平衡凝固时的溶质再分配四四

3、成分过冷成分过冷五五“成分过冷成分过冷”对单相合金凝固过程的影响对单相合金凝固过程的影响.一、固一、固-液界面前沿的溶质再分配现象液界面前沿的溶质再分配现象1 溶质再分配现象的产生溶质再分配现象的产生除纯金属外，单相合金的凝固过程一般是在一个固液两相共除纯金属外，单相合金的凝固过程一般是在一个固液两相共存的温度区间完成的。在区间内的任一点，共存两相都具有存的温度区间完成的。在区间内的任一点，共存两相都具有不同的成分，因此结晶过程必然导致界面处固液两相成分的不同的成分，因此结晶过程必然导致界面处固液两相成分的分离；同时，由于界面处两相成分随温度降低而变化，故分离；同时，由于界面处两相成分随温度降

4、低而变化，故晶晶体生长与传质过程必然相伴而生体生长与传质过程必然相伴而生。这样，。这样，从形核开始到凝固从形核开始到凝固结束，在整个结晶过程中固液两相内部将不断进行着溶质元结束，在整个结晶过程中固液两相内部将不断进行着溶质元素的重新分布过程，称为合金结晶过程中的溶质再分配。素的重新分布过程，称为合金结晶过程中的溶质再分配。.平衡凝固平衡凝固在一定的压力下，凝固体系的温度、成分完全由相应在一定的压力下，凝固体系的温度、成分完全由相应合金系的合金系的平衡相图平衡相图所规定的理想状态下的凝固过程。所规定的理想状态下的凝固过程。近平衡凝固近平衡凝固对于大多数实际的材料加工而言，所涉及的合金凝对于大多数

5、实际的材料加工而言，所涉及的合金凝固过程一般不符合平衡凝固的条件，合金凝固过程中的固液两相成分固过程一般不符合平衡凝固的条件，合金凝固过程中的固液两相成分并不符合平衡相图的规定，但是在并不符合平衡相图的规定，但是在固液界面处固液界面处合成分符合平衡相图，合成分符合平衡相图，这种情况称为界面凝固，相应的凝固过程称为近平衡凝固，也称正常这种情况称为界面凝固，相应的凝固过程称为近平衡凝固，也称正常凝固过程。凝固过程。非平衡过程非平衡过程极端条件下的凝固过程。一些凝固过程（如某些快极端条件下的凝固过程。一些凝固过程（如某些快速冷却）完全速冷却）完全背离平衡背离平衡过程，即使在固液界面处也不符合平衡相图

6、的过程，即使在固液界面处也不符合平衡相图的规定，产生所谓的规定，产生所谓的“溶质捕获溶质捕获”现象，这类凝固过程称为非平衡凝固现象，这类凝固过程称为非平衡凝固过程。过程。.2 溶质平衡分配系数溶质平衡分配系数在给定的温度下，平衡固相溶质浓度在给定的温度下，平衡固相溶质浓度CS与液相溶质浓度与液相溶质浓度CL的比值的比值LSCCk 描述了在固液两相共存条件下溶质原子在界面两侧的平衡分配特征描述了在固液两相共存条件下溶质原子在界面两侧的平衡分配特征.合金的熔点随溶质浓度增加而降低，合金的熔点随溶质浓度增加而降低，CSCL，kCL，k1.开始（开始（T=TL）时：）时：CS=kC0 CL=C0凝固过

7、程凝固过程(T=T*)中，固中，固-液界面上成分为：液界面上成分为：sCCSLLCC 固、液相质量分数固、液相质量分数 fs、fL与固液相成分间关系式：与固液相成分间关系式：1)(0LSLLSffCfCfCSSSfCC)1(10kk 凝固终了时，固相成分均匀地为凝固终了时，固相成分均匀地为:CS=C0，CL=C0/k可见：平衡凝固时溶质的再分配可见：平衡凝固时溶质的再分配仅取决于热力学参数仅取决于热力学参数k，而与，而与动力学无关，即此时此刻的动力学条件是充分的。凝固进行动力学无关，即此时此刻的动力学条件是充分的。凝固进行虽然存在溶质的再分配，但最终凝固结束时，固相的成分为虽然存在溶质的再分配

8、，但最终凝固结束时，固相的成分为液体合金原始成分液体合金原始成分C0。.该情况下溶质在固相中没有扩散，而在液相中充分混合均匀。起始凝固时与平衡凝固时相同：起始凝固时与平衡凝固时相同：C S=kC 0，C L=C 0)1(0)1(kkSSfCC)1(0kLLfCC凝固过程中固液界面上的成凝固过程中固液界面上的成分为（夏尔分为（夏尔Scheil公式公式）：*)1()(LssSLdCfdfCC因因接着凝固时由于固相中无扩散，接着凝固时由于固相中无扩散，成分沿斜线由成分沿斜线由kC0逐渐上升。逐渐上升。1 固相无扩散、液相均匀混合的溶质再分配.凝固过程分为三个阶段：凝固过程分为三个阶段：起始瞬态起始瞬

9、态 稳态阶段稳态阶段 终止瞬态终止瞬态.系数：溶质在液相中的扩散长速度）：凝固速度（界面的生LDRLDRxeCCL11 0kk-可见：达到稳态时需要的距离可见：达到稳态时需要的距离x取决于取决于R/DL和和k，当当k20o，该晶界的晶界能比固液界面能大两倍以上，则该晶界的晶界能比固液界面能大两倍以上，则大角度晶大角度晶界界最终会被液体薄膜完全最终会被液体薄膜完全浸润浸润，最后枝晶臂就会由于晶，最后枝晶臂就会由于晶界引发的浸润而从枝晶主干上脱落下来。如图界引发的浸润而从枝晶主干上脱落下来。如图4-34.冷却速度与对流速度耦合作用模型认为在固液两相区，枝晶难以机械断裂，枝晶碎断不是非认为在固液两相

10、区，枝晶难以机械断裂，枝晶碎断不是非枝晶组织形成的主要原因，枝晶组织形成的主要原因，由于电磁搅拌在熔体中产生的由于电磁搅拌在熔体中产生的强烈混合和对流改变了传热和传质过程，强烈混合和对流改变了传热和传质过程，使得晶粒在各个使得晶粒在各个方向上的生长条件都相同，于是晶粒发生了类似于等轴晶方向上的生长条件都相同，于是晶粒发生了类似于等轴晶生长的过程，搅拌冲刷作用使晶粒呈球状。生长的过程，搅拌冲刷作用使晶粒呈球状。.vRief2利用固相无扩散、液相有对流等边界条件，推导出晶粒利用固相无扩散、液相有对流等边界条件，推导出晶粒形状形状fi与凝固速度与凝固速度R和液体对流速度和液体对流速度v的关系式：的关

11、系式：可见，半固态非枝晶晶粒的形态及圆整度由凝固速度和液体可见，半固态非枝晶晶粒的形态及圆整度由凝固速度和液体的对流速度耦合作用控制。的对流速度耦合作用控制。见表见表4-1u 凝固速度一定时，对流速度增大，晶粒形状系数增大，凝固速度一定时，对流速度增大，晶粒形状系数增大，晶粒由枝晶状转变为球状；晶粒由枝晶状转变为球状；u 对流速度一定时，凝固速度越大，晶粒形状系数越小，对流速度一定时，凝固速度越大，晶粒形状系数越小，晶粒倾向于枝晶状。晶粒倾向于枝晶状。.第五节 金属基复合材料的凝固复合材料复合材料由两种或两种以上物理和化学性质不同的由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体

12、材料。物质组合而成的一种多相固体材料。分类：分类：u按基体类型按基体类型金属基复、陶瓷基、聚合物基；金属基复、陶瓷基、聚合物基；u按增强材料的形态按增强材料的形态 纤维增强、颗粒增强、叠层增强、夹层增强；纤维增强、颗粒增强、叠层增强、夹层增强；u按使用性能按使用性能结构复合、功能复合材料；结构复合、功能复合材料；u按强化相的产生方式按强化相的产生方式自生复合、人工复合材料。自生复合、人工复合材料。.图图 复合材料结构示意图复合材料结构示意图a)叠层复合叠层复合 b)连续纤维复合连续纤维复合 c)颗粒复合颗粒复合 d)短切纤维复合短切纤维复合.一、金属基人工复合材料的凝固1、金属基纤维强化型复合

13、材料、金属基纤维强化型复合材料制备工艺制备工艺液态成形（即将金属液体以加压或不加压的方式浸入液态成形（即将金属液体以加压或不加压的方式浸入预制的纤维体中，凝固后即为复合材料或成形产品）预制的纤维体中，凝固后即为复合材料或成形产品）关键技术问题关键技术问题纤维表面与液相的润湿纤维表面与液相的润湿2、金属基颗粒强化型复合材料、金属基颗粒强化型复合材料制备工艺制备工艺液态工艺（即将陶瓷颗粒或其它类型颗粒直接加入到液态工艺（即将陶瓷颗粒或其它类型颗粒直接加入到合金液中或预制成坯后浸入合金液中成形）合金液中或预制成坯后浸入合金液中成形）关键技术问题关键技术问题形核和生长（形核和生长（陶瓷颗粒与凝固界面的

14、相互作用）陶瓷颗粒与凝固界面的相互作用）.金属基复合材料中陶瓷颗粒与凝固界面的相互作用研究金属基复合材料中陶瓷颗粒与凝固界面的相互作用研究平整界面，若颗粒被持续地推移，界面前沿将凝聚很多平整界面，若颗粒被持续地推移，界面前沿将凝聚很多颗粒，颗粒的运动受到阻碍，结果导致颗粒被固相机械颗粒，颗粒的运动受到阻碍，结果导致颗粒被固相机械地嵌入，生产带状组织地嵌入，生产带状组织(a）；若被固液界面捕捉，可获）；若被固液界面捕捉，可获得颗粒均匀分布的固相组织（得颗粒均匀分布的固相组织（b）。）。胞状界面，假定胞晶间距大于颗粒直径，若颗粒被固液胞状界面，假定胞晶间距大于颗粒直径，若颗粒被固液界面排斥，颗粒将

15、偏聚在胞晶界面的沟槽中，从而被机界面排斥，颗粒将偏聚在胞晶界面的沟槽中，从而被机械地嵌入晶粒边界械地嵌入晶粒边界(c）；若被固液界面捕捉，将能够进）；若被固液界面捕捉，将能够进入晶粒内部形成较均匀的分布（入晶粒内部形成较均匀的分布（d）。）。树枝状界面，颗粒被固相排斥时，颗粒偏析在枝晶间，树枝状界面，颗粒被固相排斥时，颗粒偏析在枝晶间，此时通过极冷等手段可使晶粒细化，得到宏观上均匀分此时通过极冷等手段可使晶粒细化，得到宏观上均匀分布的组织布的组织(e）；若被固液界面捕捉，可获得颗粒均匀分）；若被固液界面捕捉，可获得颗粒均匀分布的状态（布的状态（f）。）。.二、二、自生复合材料的凝固自生复合材料

16、的凝固增强材料是从金属基体中直接生成，则增强材料与基体间增强材料是从金属基体中直接生成，则增强材料与基体间界面结合良好，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与界面结合良好，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强体间的润湿和界面反应等问题，这种原位复合方法又增强体间的润湿和界面反应等问题，这种原位复合方法又称为称为自生复合自生复合。如共晶定向凝固法、直接金属氧化法、反应生成法等。如共晶定向凝固法、直接金属氧化法、反应生成法等。.习题：P86：4、5、6、7、8、9、12.讨论合金的铸造性能与其结晶温度间隔的关系 逐层凝固 中间凝固 体积凝固窄宽陡平温度梯度的影响合金凝固温度区间的影响.Tf设液相线和固相线均为直线，液相线斜率为常数m，平衡分配系数为常数k，则C0成分合金的Tf为：代入成分过冷的条件：得：kCCmTf00kkDmCRG10-DTRGf.