几种材料的凝固教程分析.ppt

南航材料学院 王寅岗 11 几种材料的凝固 11.1 单相合金的凝固 一、凝固过程的溶质再分配 Tg对聚合物而言，尤其重要。如聚苯乙烯的Tg大约是100℃，故在室温时，它呈玻璃状且很脆；而橡胶的Tg为-73℃，故在最严寒的冬天，仍是柔软且易变形的。几种聚合物的玻璃化转变温度如表。 11.3 陶瓷材料的凝固 陶瓷的凝固过程： 比金属材料的凝固过程复杂，但是结晶基本规律与金属相同。结晶时要有过冷度，也是晶核形成和长大的过程。结晶过程中组织的变化规律与合金相似，要用相图说明，如图。 11.3 陶瓷材料的凝固 11.2 共晶合金的凝固 (2)、当10%ψf20%时（D区），共晶组织为不规则的层片状结构，如Al-Si，且在溶解熵较小的G区，层、片状将向丝状结构转变。 (3)、当20%ψf35%时（E区），共晶组织为复杂的规则结构。如从宏观上看，Al-Ge合金是由很多晶胞组成，在晶胞的内部，其显微结构为在一脊椎的周围规则地排列着一些板条组织。随着过冷度增加，或G/v减小，成分过冷增加，组织将由鱼骨状晶变为三角形晶胞，再转变为立方体晶胞结构。 Al-Ge合金复杂规则结构的胞晶内微观排列 11.2 共晶合金的凝固 (4)、当ψf40%时（F区），共晶组织为准规则结构，如Fe-Fe3C合金，其特点是由非小平面相的板片状或少量的棒状组成，而基体（Fe3C相）则为小平面相，只是小平面相不能按小平面方式而是按非小平面方式长大，两种非小晶晶相呈板片状与少量棒状的混合组织。 11.2 共晶合金的凝固 二、非平衡状态下的共晶共生区 平衡凝固条件下，共晶反应只发生在一个固定成分的合金下，任何偏离这一成分的合金凝固后都不能获得100%的共晶组织。而从热力学的观点分析，在非平衡凝固条件下，具有共晶反应的合金，当快冷至两条液相线的延长线所包围的区域内时，即使非共晶成分的合金，也可获得100%的伪共晶组织。 1、伪共晶组织 从热力学观点考虑的共晶共生区 11.2 共晶合金的凝固 2、共晶共生区 相图中两条液相线的延长线所包围的区域称为共晶共生区。 金属-非金属共晶共生区 金属-金属共晶共生区 11.2 共晶合金的凝固 共晶共生区具有以下几个特点： ① 规定了共晶稳定生长的温度和成分范围，超过这个范围，组织将转变为亚共晶或过共晶组织； ② 共晶共生区对称与否与共晶系的种类有关，对于金属-金属共晶系，共生区是以共晶成分为中心的对称型共生区，而对于金属-非金属共晶系，其共生区通常是非对称型的，其相图上的共晶点靠近金属组元一方，共晶共生区偏向非金属一侧，如Al-Si合金，其共晶成分在快冷时也不能获得共晶组织。 11.2 共晶合金的凝固 3、影响共晶共生区形状的因素 共晶共生区的形状除取决于共晶合金系外，主要取决于液相的温度梯度、初生相以及共晶的长大速度与温度的关系。 (1)、规则共晶（金属-金属共晶系）——铁砧式共生区 当晶体长大速度较小时（ΔT较小，ΔG0），在单向凝固时可获得平界面的共晶组织，且能获得共晶组织的成分范围很宽（相图中Cαm~Cβm之间的合金）；随生长速度变大，即图中阴影区的中部，共晶组织将转变为胞状、树枝状晶；当生长速度进一步变大且G=0时，共晶组织只能是等轴晶。对于成分为C0的合金，随生长速度变大，生长为共晶→β枝晶→共晶，永远不会出现α枝晶。 11.2 共晶合金的凝固 铁砧式共晶共生区的形状和共晶组织与温度梯度、长大速度及温度的关系 11.2 共晶合金的凝固 (2)、非规则共晶 当成分为C0的合金凝固时，随生长速度变大，其组织为共晶→ β枝晶→共晶→α枝晶。比较这两种不同类的共生区可以得出，在大的过冷度下，金属-非金属共晶生长被抑制，取代它的是单金属相在富非金属组元的合金中形成，其机理为共晶中的小晶面相长大时的各向异性和晶体的分枝在较大过冷度时，在特定晶向上的长大及分枝较为困难。 11.2 共晶合金的凝固 三、金属-金属层片共晶生长 1、形核与长大 大多数金属-金属共晶合金，其长大速度在四周各个方向上是均一的，因此它具有球形长大的前沿，而在共晶组织内部两相之间却是层片状的。这就是说在非方向性凝固的情况下，共晶体是以球形方式长大，而球形的结构是由两相的层片所组成，并且向外散射。球的中心有一个核心，它是两相中的一相，在一定的过冷度下，液相中总会首先形成共晶两相中的某一相的核心，起着一个共晶结晶核心的作用，另一相在核