第三章液态金属结晶的基本原理 上课件.pptVIP

第四节 单相合金的结晶 §4.4.2.3液相只有有限扩散的溶质再分配 该过程有三个阶段： X′ 特征距离 最初过渡阶段 稳定态阶段 最后过渡阶段 液态金属左端温度到达T1时，析出成分为k0C0的晶体。晶体生长，不断向界面前沿排出溶质原子并向液体内部传输。 R为界面生长速度，x是以界面为原点沿其法向伸向熔体的动坐标，CL(x)为液相中沿x方向的浓度分布， 为界面处液相中的浓度梯度。 单位时间内单位面积界面处排出的溶质量q1和扩散走的溶质量q2分别为： 结晶初期， q1 ＞ q2 ，生长的结果导致溶质原子在界面前沿富集，降低了界面处的液相线温度，只有温度进一步降低时界面才能继续生长。 这一时期的结晶特点是，伴随着界面的向前推进，固、液两相平衡浓度C*S与C*L持续上升，界面温度不断下降。这是晶体生长的初期过渡阶段。在该阶段，由于浓度梯度随C*L的增大而急速地上升，因此q2增大的速率比q1更快，q1与q2之间的差值迅速地减小；当q1＝q2时，界面上排出的溶质量与扩散走的相等，进入稳定生长阶段。 凝固稳定状态阶段富集层溶质分布规律（指数衰减曲线）： 当 时， ｛CL(x’)－C0｝降到: 称为溶质富集层的“特征距离”。 由上一过程对CL(x)的分析可知，在相同的原始成分C0下， CL(x)曲线的形状与晶体生长速度R、溶质在液相中的扩散系数DL以及平衡分配系数k0有关。在稳定生长阶段， R越大， DL或k0越小，则界面前溶质原子富集越严重，曲线CL(x)就越陡。 上述过程一直进行到生长临近结束，富集的溶质集中在残余液相中无法向外扩散，于是界面前沿溶质富集又进一步加剧，界面处固、液两相的平衡浓度又进一步上升，形成了晶体生长的最后过渡阶段。结晶完成以后的固相浓度分布情况如图所示。 河工北大 液相只有有限扩散凝固条件下溶质再分配 第四节 单相合金的结晶 §4.4.2.3液相只有有限扩散的溶质再分配 请同学们结合课本再对比分析液相只有有限扩散凝固条件下的溶质再分配！ 河工北大 第四节 单相合金的结晶 §4.4.2.3液相只有有限扩散的溶质再分配 曲线的形状受凝固速度R、溶质在液相中的扩散系数DL、分配常数K0影响，R越大，DL越小，K0越小，则在固-液界面前沿溶质富集越严重，曲线越陡峭。 另外，最初过渡区的长度取决于K0、R、DL的值，K0越大、R越大或DL越小，则最初过渡区越短；最后过渡区长度比最初过渡区的要小得多，与溶质富集层的“特征距离”的数量级相同。 河工北大 第四节 单相合金的结晶 §4.4.2.4液相有部分混合的溶质再分配 实际的晶体生长过程介于前两者之间：在紧靠界面前方存在一薄层流速作用不到的液体，称为扩散边界层。在层内溶质通过扩散传输；在层外通过流动达到完全混合。 在部分混合情况下，固-液界面处的液相中存在一扩散边界层，在边界层内只靠扩散传质（静止无对流），在边界层以外的液相因有对流作用成分得以保持均一。 液相部分混合达稳态时C*s及C*L值： 河工北大 第四节 单相合金的结晶 §4.4.2.4液相有部分混合的溶质再分配 令 为有效分配系数， KE 与平衡分配系数 K0 的关系： KE = K0 :发生在 ＜＜1 时，即慢生长速度和最大的搅动对流， δ 很小（ δ →0），这相当于前面讨论的液相完全混合的情况。 KE =1:发生在 ＞＞1 时，即快生长速度凝固、或没有任何对流，δ很大（ δ →∞），这相当于液相只有有限扩散时的情况。 K0＜KE＜1:相当于液相部分混合(有对流)的情况，工程中在该范围。 四种单向凝固条件下的溶质分布情况示意图。 河工北大 单向凝固时铸棒内溶质的分布 第四节 单相合金的结晶 §4.4.2.4液相有部分混合的溶质再分配 δ→0 δ→ ∞ δ→0 δ→ ∞ 河工北大 第四节 单相合金的结晶 §4.4.3固－液界面前方熔体的过冷状态 固－液界面前方熔体的过冷状态取决于其局部温度的分布形式和具体的溶质再分配规律。这种过冷状态强烈地影响着界面的生长方式和晶体的形态。在这一节里我们将讲解有关热过冷和成分过冷的状态分析及判断的相关知识。 1 溶质富集引起界面前方熔体凝固温度的变化 2 热过冷与成分过冷 河工北大 3.2.2.3 生核剂的简介 研究表明，只有当衬底物质的某一个晶面与结晶相的某一个晶