第四節(jié)單相合金的凝固

1第四節(jié)單相合金的凝固

在凝固過程中只析出一個固相的合金。如純鐵、純鋁等許多金屬。以及如Cu-Ni等充分互溶的固溶體合金等2單相合金結晶過程中的溶質再分配1.溶質再分配現象的產生

凝固過程中必然要導致界面處固－液兩相成分的偏離，在整個的結晶過程，固、液兩相內部將不斷進行溶質元素的重新分布過程。2.平衡分配系數與界面平衡假設決定凝固界面兩側溶質成分關系的熱力學特性可用平衡分配系數k0表示，即：各個符號的意義如圖所示。343.非平衡結晶時溶質的再分配在非平衡結晶過程，實際上溶質的擴散是有限的，只在凝固界面上滿足局部平衡的條件。溶質原子在固相中的擴散更慢，常?？梢圆豢紤]。液相：DL=5*10-5㎝2/s數量級固相：DS=5*10-8㎝2/s數量級5

（1）固相無擴散、液相均勻混合時的溶質再分配6定積分可得：該公式就是Scheil公式7（2）固相無擴散，液相只有擴散而無對流時的溶質再分配

8（2）固相無擴散，液相只有擴散而無對流時的溶質再分配

當液相中溶質邊界層達到穩(wěn)定后，其濃度從固液界面（x=0）開始的分布為：在固液界面處（x=0）液相濃度為CL*=C0/K0所以:CS*=K0CL*=C0910

熱過冷成分過冷成分過冷判據

成分過冷11熱過冷

金屬凝固過程中界面前沿的熔體實際溫度低于其熔點時，熔體處于過冷狀態(tài)，這種過冷是簡單的“熱過冷”。12成分過冷

合金凝固時界面前沿的溶質富集層

對于成分為C0的合金（最常見的是k0<1,m<0），在凝固過程中，界面上滿足局部平衡假設，即符合相圖的規(guī)律。當k0<1，意味著凝固時必然造成固相排出溶質、在固/液界面前液相中形成一個溶質富集層。1314溶質富集層中液相線溫度的變化

在溶質富集層中各個點的濃度CL是不同的，由相圖可以知道，各個點的液相線溫度也是不同的，滿足TL＝T0＋mCL,圖給出了界面前沿液相線的溫度分布15成分過冷區(qū)

與此同時，在固/液界面前沿，真實的溫度分布可能是這樣兩種情況，即：溫度分布相對比較平坦（溫度梯度GL?。c液相線的溫度分布曲線有交點；另外一種情況，溫度分布相對比較陡峭（溫度梯度GL大），與液相線的溫度分布曲線沒有交點。16

第一種情況下在固液界面前沿存在一個區(qū)域，該區(qū)域內真實溫度低于液相線溫度，即發(fā)生了過冷，這種在溫度更高的熔體中，由于成分分布的變化造成的過冷叫“成分過冷”17界面發(fā)生成分過冷的判據發(fā)生成分過冷時：18將：代如TL（x）

＝T0＋mCL（x）后再代人求導得成分過冷判據：更簡明的判據

19

利用以上公式進一步處理推導可得成分過冷區(qū)的過冷度和寬度，分別為：20成分過冷狀態(tài)對凝固

界面形態(tài)的影響

純金屬的凝固

單相合金的凝固

21純金屬的凝固

當GL>0時，純金屬晶體凝固界面前方不存在過冷，有任何伸入過熱熔體中的凸起都將被熔化，凸起消失,維持平界面形式生長。22

當GL〈0時，界面前方存在大的過冷區(qū)，任何凸起將在熔體中很快地連續(xù)向前生長，從而破壞了界面的穩(wěn)定性，形成樹枝晶。23界面前方無成分過冷

當時，界面前方不存在成分過冷，有任何凸起必將伸入過熱熔體中而被熔化，凸起消失，界面以平界面生長。

單相合金的凝固24

（a）（b）無成分過泠的平界面生長（a）粗糙界面）（b）光滑界面25界面前方成分過冷很小當剛發(fā)生時，界面前方有較小的成分過冷，界面的突起可以在很小范圍內保持，界面以胞狀向前推進。26

（a）

（b）

略有成分過泠時的胞狀界面生長（a）縱向（b）橫向27成分過冷較大

當時，界面前方存在較大的成分過冷區(qū)，界面上任何的凸起可以進一步向前、向側面的過冷熔體中生長，因此導致以樹枝晶的形式生長。28

有較強成分過泠的樹枝狀生長

29成分過冷很大

當時，成分過冷區(qū)的過冷度足以達到形核過冷度，內生形核和生長發(fā)生，中止了柱狀晶的生長，形成等軸晶區(qū)域。30

強成分過泠的內生生長

31晶體的生長方向

平界面生長的方向與熱流方向相反；胞晶生長的方向也與熱流的方向相反；枝晶則按優(yōu)先生長方向生長，表現出晶體學特征。32第五節(jié)共晶合金的凝固

在凝固過程中同時析出兩個或兩個以上的相，這個凝固過程叫共晶凝固，形成的組織叫共晶組織。33可將共晶合金分為兩大類：1)非小面-非小面共晶合金共晶兩相均具有非小面生長的糊糙界面如：Sn-Pb、Ag—Cu、Al—A13Cu和

A1—A13Ni合金等。2)非小面—小面共晶合金一個相的固—液界面為非小面生長的粗糙界面，另一個相則為小平面生長的光滑界面。如：Fe—C、Al—Si合金等。34典型的非小面-非小面共晶組織（縱截面）35非小面-非小面片狀共晶組織（橫截面）

非小面-非小面桿狀共晶組織（橫截面）

當時，a相成桿狀，否則是片狀。36

非小面-小面柱狀共晶組織37非小面-小面等軸共晶組織——共晶團38共晶組織的生長機理

領先相析出后，后析出相依附于其上析出，形成具有兩相共