单相合金凝固分析报告.pptVIP

3.3.3 固相中无扩散，液相中溶质不完全扩散（液相中有对流作用，但作用不强烈） 1) 2)是一种特例，一般情况很难实现。3）应具有普遍性。 如：凝固过程存在对流现象---热对流、自然对流、强迫对流（电磁场、搅拌、超声波等外场作用） 若这些场作用不十分强烈，不足以使得液相溶质完全均匀，在凝固界面处还会存在溶质富集的扩散边界层，其扩散边界层的厚度为δ。 Effects of Convection and Stirring During crystal growth and plane–front solidification stirring occurs, which affects the segregation process. Suggested three important zones: Solid zone (no diffusion) A “static” layer, d, (diffusion transport) Liquid zone (complete mixing) 此种情况的特点： 1）凝固过程中，S-L界面逐渐形成扩散边界层。当达到稳态凝固时，边界层分布已达到稳态分布； 2）由于对流作用，S-L界面析出的溶质，其中一部分通过界面层扩散到整个液相中去。因此，即使达到稳态凝固时，边界层的溶质浓度较无对流时低。 当容积足够大时，CL*＜C0/k0；CS*＜C0 3）若边界层厚度为δ，其值应小于无对流作用时的边界层厚度； 下面具体分析该情况下，溶质在S/L中的分布 微分方程为： 边界条件：x=0，CL= CL* ＜C0/k0，x= δ ，CL=C0 解微分方程： （1）令： 代入（1）得： （1） （2） （3） （4） （3）（4）适合于液相容积无限大的条件，即边界层以外液相的成分可假定为C0不变。当液相容积为有限大时，即边界层以外液相的成分可用 表示。此值在凝固过程中会逐渐提高。 注：有限大与无限大指液相容积长度与边界层厚度之比相对而言。 （5） 式（5）也适用于液相中没有对流的情况。即令δ=∞ （5）式就变成： 对于（4）（5）式，CL*是未知量，还需进行进一步求解。 利用界面质量守恒条件： （7） （6） 合并（6）（7），得 V 讨 论： （1）当液相容积足够大时，δ以外成份为C0，在稳态时。V一定，则k’一定 CS*、CL*一定 所以： CL*＜C0/k0、CS*＜C0 （2）当液相容积有限大时，δ以外成份为 。 在稳态时，V一定，则 ，从（13）可知： 当液相有限大时， 将不断增加；同时 也随之增加，而 比值将保持不变。 此时，可认为凝固达到动态平衡，即处于“动的稳定态”。此时只考虑界面处的固相成分 和液相成分 满足 都是描述了液相主体成分与界面成分的关系 夏尔方程正是描述了这样一种关系 如果这时不考虑界面处的 ，这时，这种情况就与固相无扩散，液相完全扩散的情况类似，只是以 代替 。 因此，在这种情况下，凝固过程中固相和液相中溶质分布可用修正的“夏尔方程式” 表示，或称之为“修正正常偏析方程” 。 思考题： 1.某种纯度为99.7(wt)%的电解铝中含0.07(wt)%Cu、0.08(wt)%Si、0.05(wt)%Ni和0.09(wt)%Fe等杂质，采取什么措施可以获得99.99(wt)%以上的高纯铝？你所采取的方法对去除以上四种杂质的有效性顺序如何？(以上四种杂质元素在铝种的分配系数分别为：0.14、0.095、0.009和0.03) 2.设计实验验证凝固过程溶质再分配模型。 3.分析比较凝固界面前沿熔体对流方式对宏观偏析的影响。 4.局域平衡假设及其适用范围。 固相中无扩散，液相中溶质完全混合（即液相中有强烈对流，溶质完全混合）的凝固模型也称之为夏尔Scheil凝固模型 随之所获得的溶质分布方程，称之为Scheil方程或正常偏析方程 Although local interfacial equilibrium generally holds during solidification, the system cannot remain in “global” equilibrium because diffusion rates in the solid are too slow. G. Gulliver (19