材料科学基础第七章.ppt

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1、7.4二元合金的凝固理论液态合金凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外，由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶、固中发生重新分布，这对合金的凝固方式和晶体的生长形态产生很大的影响，会引起微观偏析或宏观偏析。微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象。宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区域范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异。固溶体的凝固理论共晶凝固理论合金铸锭(件)的组织与缺陷7.4.1固溶体的凝固理论1.正常凝固2.区域熔炼3.有效分配系数ke4.合金凝固中的成分过冷1.正常凝固及平衡分配系数k0平衡凝固（equilibriumsolidification）：在凝固过程中固相

2、和液相始终保持平衡成分，即冷却时固相和液相的整体成分分别沿着固相线和液相线变化。合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度可用溶质平衡分配系数（equilibriumdistributioncoefficient）k0表示。平衡分配系数为平衡凝固时固相的质量分数WS和液相的质量分数WL之比(即液固两平衡相中溶质浓度之比)，即：k0=WS/WLk0＜l时，随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度降低；k0＞1时，随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度升高。k0越接近1，表示该合金凝固时重新分布的溶质成分与原合金成分越接近，即重新分布的程度越小。当固、液相线假定为直线时，由几何方

3、法不难证明k0为常数。WSWLWSWLWL1WL2WS1WS2K0<1K0>1平衡凝固一般难实现，由于冷却时冷速过快固相和液相的整体成分不可能达到平衡成分，凝固为非平衡凝固（nonequilibriumsolidification）。在非平衡条件下，已凝固的固相成分随凝固先后顺序而变化。即随凝固距离x而变化。（如图7.65所示）1.正常凝固及平衡分配系数k0锭模凝固模型XX1.正常凝固及平衡分配系数k0正偏析：溶质浓度由锭表面向中心逐渐增加的不均匀分布。它是宏观偏析的一种。这种偏析通过扩散退火也难以消除。正常凝固方程：2.区域熔炼如果合金通过由试样一端向另一端局部熔化，经过区域熔炼的

4、固溶体合金，其溶质浓度随距离的变化与正常凝固有所不同的，其变化符合区域熔炼方程：该式表示经一次区域熔炼后随凝固距离变化的固溶体质量浓度。当k0<1时，凝固前端部分的溶质浓度不断降低，后端部分不断地富集，这使固溶体经区域熔炼后的前端部分因溶质减少而得到提纯，因此区域熔炼又称为区域提纯（zonerefining）。区域提纯是应用固溶体理论的一个突出成就。区域提纯已广泛应用于提纯许多半导体材料、金属、有机和无机化合物等。如锗3.有效分配系数ke（自学）(1)成分过冷的概念纯金属凝固时，Tm不变，当T＜Tm时引起过冷，液体的过冷度完全取决于实际温度分布，这种过冷称为热过冷。在合金凝固时，由于液

5、相中溶质分布发生变化而改变了凝固温度，这可由相图中的液相线来确定，因此，将界面前沿液体中的实际温度低于溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过冷（constitutionalsupercooling）。成分过冷能否产生及程度取决于液固界面前沿液体中的溶质浓度分布和实际温度分布这两个因素。4.合金凝固中的成分过冷液固界面前沿液体中的溶质浓度分布导致的成分过冷(2)成分过冷产生的临界条件一类是外界条件控制的参数温度梯度G和凝固速度R。当G值越小和R值越大，越容易产生成分过冷。另一类反映合金性质的参数液相线斜率m、平衡分配系数k0和溶质浓度W0。液相线斜率m大、平衡分配系数k0小和合

6、金溶质浓度W0大，都容易产生成分过冷。影响成分过冷倾向大小的因素可分为两大类：(3)成分过冷对晶体生长形态的影响固溶体凝固时在正的温度梯度下，由于凝固界面液相中存在成分过冷，并随着成分过冷冷度从小到大，其界面生长形态将从平直界面向胞状和树枝状发展。而纯金属凝固时须在负的温度梯度下才得到树枝状组织。这是二者的区别。胞状生长模型平面生长模型树枝状生长模型不同成分过冷程度的三个区域平界面生长胞状生长树枝状生长过冷度影响因素成分过冷对晶体生长形态的影响7.4.2共晶凝固理论1.共晶组织分类及形成机制(1)金属—金属型：层片状或棒状共晶。影响形状的因素：①共晶中两组成相的相对量（体积分数）。若

7、共晶中两相中一相的体积分数小于27.6%时，有利于形成棒状；反之有利于形成层片状。②相界面的比界面能。在共晶中一相的体积分数在27.6%以下时，当比界面能降低有利于降低体系的能量时，有利于形成层片状。当界面面积降低有利于降低体系的能量时，倾向于形成棒状。共晶体层片间距：典型共晶组织共晶组织的形成过程横向扩散搭桥机制对纯二元共晶，共晶固相的平均成分与液相成分一致，没有溶质聚集，不产生成分过冷，故以平直界面方式凝固。如二元共晶合金中包含