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第七章 材料的凝固 7.2 纯金属的结晶过程 7.6 固溶体合金的结晶 一、 结晶特点 1、平衡结晶：指合金从液态很缓慢地冷却，使合金在相变过程中有充分时间进行组元间的互相扩散，每个阶段都能达到平衡，达到平衡相的均匀成份。 与纯金属相比，固溶体合金凝固过程有两个特点： （1）、固溶体合金凝固时析 出的固相成分与原液相 成份不同，需成份起伏。 α晶粒的形核位置是那 些结构起伏、能量起伏 和成分起伏都满足要求 的地方。 （2）、固溶体合金凝固时依 赖于异类原子的互相扩散。 2. 非平衡结晶 二、固溶体合金结晶时溶质的重新分布 1、讨论条件 铸锭凝固后将产生宏观成分的不均匀(宏观偏析)，造成铸锭内先后结晶部位的组织、性能有明显差异．为探讨这一现象先假定以下条件： （1）平衡凝固时各温度下两相溶质都达到均匀化； ? （2）不考虑非平衡冷却，液、固相界面处始终保持局部平衡。 (3)合金元素在液相中的扩散系数是固相中的103倍多，因此不考虑固相内的扩散. ? 平衡分配系数：一定温度下，固/液两平衡相中溶质浓度之比值 K0=Cs / CL CS、CL：固、液相的平衡浓度 正常凝固过程 在讨论金属合金的实际凝固问题时,一般不考虑固相内部的原子扩散，即把凝固过程中先后析出的固相成份看作没有变化，而仅讨论液相中的溶质原子混合均匀程度问题。以下讨论的均为正常凝固过程。 2、液相内溶质可充分均匀混合 冷却和凝固的速度均较慢，液相内溶质通过对流、搅拌和扩散可使溶液成分均匀，在冷却过程中液相成分沿液相线变化。 圆棒从左端至右端的宏观范围内的成分不均匀现象，称为宏观偏析。 圆棒离左端距离X处的溶质浓度 : CS(x)=K0C0(1-X/L)K0-1 剩余液相的平均浓度: CL(x)=C0(1-X/L)K0-1 其中 L：合金棒长度 C0：合金的原始浓度 3．液体中溶质仅靠扩散混合 Ke=1 3．液体中溶质部分混合 ① 固液边界层的溶质聚集对凝固圆棒成分的影响 ② 初始过渡区的建立 当从固体界面输出溶质的速度等于溶质从界面层扩散出去的速度时，则达到稳定状态，从凝固开始至建立稳定的边界层这一段长度称为“初始过渡区”，达到稳定状态后的凝固过程，称为稳态凝固过程。 在稳态凝固过程中，固溶体溶质分布方程为： 其中Ke为有效分配系数， 式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数 式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数 A 当凝固速度非常缓慢时， Rδ/D 0 ，Ke K0 即为液体中溶质完全混合的情况。 B．当凝固速度非常大时，e - Rδ/D 0 ， Ke=1，为液体中溶质仅有通过扩散而混合的情况。 C．当凝固速度介于上面二者之间， K0＜Ke＜ 1， 液体中溶质部分混合的情况。 圆棒离左端距离X处的溶质浓度 ： 液体中溶质完全混合 CS(x)=K0C0(1-X/L)K0-1 液体中仅借扩散而混合 液体中溶质部分混合 7.7、成份过冷 成分过冷：由溶质再分配导致界面前沿平衡温度发生变化而引起的过冷 成份过冷与晶体生长形态 凝固界面形态分为：平界面、胞状界面、和树枝界面 当合金成分一致时，随 值的减少，晶体形态由平面晶向胞状晶向胞状树枝晶、柱状树枝和等轴树枝晶转变。 微观偏析 有两种情况： 宏观偏析 宏观偏析通常指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺度的大范围内产生的成分不均匀的现象 1、正常偏析：对于 1的合金，先凝固区域的溶质含量低于后凝固区域，与正常溶质再分配规律一致。 2、逆偏析：对于 1的合金，外层的一定范围内溶质含量分布由外向内逐渐降低 3、密度偏析：由于重力作用产生的化学成分不均匀的现象。 7.8 共晶合金的凝固 共晶型合金分为规则共晶和非规则共晶。 规则共晶由金属－金属组成，属小平面共晶； 非规则共晶由金属－非金属组成，属非小平面－小平面共晶。 不同的合金系中，共晶结晶的方式可