3单相合金的凝固

第三章.单相合金凝固2第三章.单相合金凝固按合金在凝固过程中晶体的形成特点，合金可分两大类：单相合金在凝固过程中只析出一个固相的合金，如固溶体、金属间化合物等等；3第一节凝固过程的溶质再分配平衡凝固条件在生产中是不可能遇的。平衡分配系数:LsCC4•在工程上，常把液相线和固相线近式为直线：当k1;当k15一.平衡结晶时溶质再分配•虽然合金结晶时存在溶质再分配，如果凝固速度极慢，使液相和固相充分扩散均化，可实现平衡结晶。•当Co成份的合金刚冷到To以下时，开始结晶析出少量的а，其成份是kCo，界面上缓慢排出的B原子能充分扩散到液体中使液体的成份稍高于Co。但因原子析出很少，CL≈Co,在以后的冷却过程中，固相不断生长，其成份按固相变化；液相不断生长，其成份按液相变化。当温度为T’时，固相成分为Cs’,液相成分为CL’,固、液两相的重量ƒs、ƒL分数存在如下关系：•当温度接近T1时，固相成分≈Co，残存少量的液相成分≈Co/k。当凝固终了，液相全部凝固，原子扩散充分，整个固相成分为Co6•平衡结晶溶质再分配规律：)k(fkCC)k(fkCCLLss000000111开始结晶时，因而,0;1sLff000,CCkCCLs在结晶的任一瞬间，;,10LsLsCkCff结晶将结束时，000,,0,1kCCCCffLsLs因而7单相凝固平衡结晶时溶质原子的分布：8二、固相中无扩散，液相中仅有有限扩散而无对流或搅动9(1)溶质在液相中的扩散。设距界面x处单位面积上单位时间内向液体内部扩散的溶质量为m1,则：1dcm=Ddx212dcdm=Ddxdx20()mRCC在dx距离微体积内溶质扩散的增量：(2)在界面生长过程中溶质由固相排挤到液相中。设固相向液相生长速度为R(cm/s),而液相在距x处的成分为C,则界而的生长速度,即液相中浓度分布曲线向右推移的速度，由此而向x处供应的溶质量:2dCdm=Rdxdx稳定生长:0dmdm2110边界条件：当x=0，c=c0/kx=∞，c＝c0]kk1[1ccDxR0xK111三.成分过冷1.溶质富集引起界面前沿凝固温度的变化m:液相线的斜率]11[mc-TT00xDxRkk成分过冷:单相合金溶液在凝固过程中由于溶质元素再分配引起的过冷。121.成分过冷的形成]11[mc-TT00xDxRkk0dxdTxDk)1(mclnRDX0'GRk当x=x1，成分过冷度最大。]11[mc-TT00xDxRkk（1）把x1代入（1）式：])1(ln1[)1(mcTc00maxGDkRkmcRGDkk（2）132.影响成分过冷的因素1).界面前面液体中的温度梯度G；2).晶体的生长速度R；3).溶质在液体扩散D；4).m;5).k6).C0。])1(ln1[)1(mcTc00maxGDkRkmcRGDkk上述因素可归为两类:（1）合金本身的因素：k、m、C0、D；（2）工艺因素G、R。3.成分过冷对晶体生长过程的影响界面前成分过冷的大小决定界面的生长过程、生长方式和最后的晶体形状（1）平面生长（Planerinterfacegrowth）；（2）胞状生长（Cellularinterfacegrowth）；（3）枝晶状生长（Dendritiointerfacegrowth）；（4）内生生长（Endogeneousinterfacegrowth）。14A.平面生长当界面船液体中的温度梯度为G1时，界面前没有大于Tx的成分过冷，相界面始终保持平面，如固体上偶然产生的任何突出部分，都突入于过热的液体中(因T“极小)，将重新被熔化，使界面仍为平面，只能随着因相的散热使前沿有大于Tx的过冷后，界面才能向前推进。如果在整个凝固过程中都保持上述条件，则每个晶体将平行向内伸展成一个个条状的晶体。如果开始时是一个晶体，此晶体逐渐向液体内长成一个大的单晶体。由于在整个凝固过程中相界面始终是平面，液固转变时的体积收缩完全可以由液体来补充，没有品间缩松。加忽略Tx，平面生长的临界条件是G线与Tx线在相界面(x=0)处相切，即：0)dxdT(x对（1）式求导：DkkmCRG)1(0（3）成分过冷的据DTTRGTTkk)(1mC1010015B.胞状生长Al-0.1Cu单相结晶（G/R=0.42×104K·S/cm2）DkkmCRG)1(016C.枝晶生长17典型的枝晶生长:CBr4中加入较多溶质后的技晶生长叔丁醇开始二次分枝18•当界面前液体中的温度梯度为G时，成分过冷的极大值ΔTmax大于发生生核所需的过冷度T*”，在这样部位的液体中便能生核并生长(右图4)。由于原有固一液界面以枝晶状生长时，这些晶核也在不断生长，当两者相遇时，原有晶核便不能继续向液体内延伸，使原枝晶生长受阻。没有明显的向延伸的分枝，所形成的晶体至颗粒状内部可显示出备方等轴的枝品组织，常称为等轴晶。•在界面前方的液体内自己生核和生长的方式称为内生生长(endogeneousgrowth)，晶体只是由外向内生长的方式称为外生生长(exogeneousgrowth)。可见，平面生长、胞状生长和枝品状生长都属于外生生长；而等轴晶的形成用于内生生长。D.内生生长19•决定合金晶体形貌的主要因素：合金的原始成分C。、固一液界面处液相内的温度梯度GL和凝固速度v，影响“成分过冷”，是决定合金晶体形貌的主要因素。•当GL/v减小时，最大“成分过冷”的过冷度增加。晶体形貌发生变化。]GDkRk)(1mcln[1RGDkk)(1mcΔTc00max