金屬凝固原理-第四章-(2)教學(xué)文稿

1、金屬凝固原理-第四章-(2)n固固- -液界面前沿的液界面前沿的 局部溫度梯度局部溫度梯度xGTTxTLK*)(晶核形成晶核形成凝固結(jié)束凝固結(jié)束整個(gè)整個(gè)結(jié)晶過程，固液兩相內(nèi)部結(jié)晶過程，固液兩相內(nèi)部不斷進(jìn)行著的不斷進(jìn)行著的溶質(zhì)元素的溶質(zhì)元素的重新分布重新分布的過程。的過程。即：即：CS、CL變化變化平衡分配系數(shù)平衡分配系數(shù)：k0：在給定的溫度：在給定的溫度T*下，平衡固相溶下，平衡固相溶質(zhì)濃度與液相溶質(zhì)濃度之比：質(zhì)濃度與液相溶質(zhì)濃度之比：界面平衡假設(shè)界面平衡假設(shè)：近似地認(rèn)為，在傳熱、傳質(zhì)和界面反：近似地認(rèn)為，在傳熱、傳質(zhì)和界面反應(yīng)三個(gè)基本過程中，單相合金的晶體生長(zhǎng)僅取決于熱應(yīng)三個(gè)基本過程中，單相

2、合金的晶體生長(zhǎng)僅取決于熱得傳輸和質(zhì)的傳遞，而原子通過界面的阻力則小到可得傳輸和質(zhì)的傳遞，而原子通過界面的阻力則小到可以忽略不計(jì)。以忽略不計(jì)。界面處固液兩相始終處于局部平衡狀態(tài)界面處固液兩相始終處于局部平衡狀態(tài)。*0LSCCk 凝固終了，固相成分均勻凝固終了，固相成分均勻: CS = C0接著凝固時(shí)由于固相中無接著凝固時(shí)由于固相中無擴(kuò)散，成分沿斜線由擴(kuò)散，成分沿斜線由K0C0逐漸上升。逐漸上升。 凝固過程中固液界面上的成分為凝固過程中固液界面上的成分為（Scheil公式公式LssSLCdfdfCC)1 ()(*由由)1(000)1 (KSSfCKC)1(00KLLfCC11000 xeKKCCL

3、DRL凝固凝固穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)階段富集層溶質(zhì)分布規(guī)律（指數(shù)衰減曲線）：階段富集層溶質(zhì)分布規(guī)律（指數(shù)衰減曲線）：X 特征距離特征距離當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，CL(x)C0降到降到:稱為溶質(zhì)富集層的稱為溶質(zhì)富集層的“特征距離特征距離”。RDxLeKC1)11(00凝固過程分為三個(gè)階段凝固過程分為三個(gè)階段： 最初過渡區(qū)；最初過渡區(qū)； 穩(wěn)定態(tài)區(qū)（穩(wěn)定態(tài)區(qū)（q1=q2）；）； 最后過渡區(qū)最后過渡區(qū) q1=q2） 另外，最初過渡區(qū)的長(zhǎng)度取決于另外，最初過渡區(qū)的長(zhǎng)度取決于K0、R、DL的值，的值，K0越大、越大、R越大或越大或DL越小，則最初過渡區(qū)越短；最后越小，則最初過渡區(qū)越短；最后過渡區(qū)長(zhǎng)度比最初過渡區(qū)的要小得多

4、，與溶質(zhì)富集層過渡區(qū)長(zhǎng)度比最初過渡區(qū)的要小得多，與溶質(zhì)富集層的的“特征距離特征距離”的數(shù)量級(jí)相同。的數(shù)量級(jí)相同。 在部分混合情況下，固在部分混合情況下，固-液界面處的液相中存在一擴(kuò)液界面處的液相中存在一擴(kuò)散邊界層，在散邊界層，在邊界層內(nèi)只靠擴(kuò)散傳質(zhì)邊界層內(nèi)只靠擴(kuò)散傳質(zhì)（靜止無對(duì)流）：（靜止無對(duì)流）：在在邊界層以外邊界層以外的液相因有的液相因有對(duì)流對(duì)流作用作用成分保持均一成分保持均一。 液相充分大時(shí)邊界層寬度液相充分大時(shí)邊界層寬度 N 內(nèi)任意一點(diǎn)內(nèi)任意一點(diǎn)x液相成分液相成分 ：當(dāng)液相不是充分大當(dāng)液相不是充分大 時(shí)：時(shí)：NLLDRXDRLLeeCCCC11100NLDRXDRLLLLeeCCCC1

5、11液相部分混合達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)液相部分混合達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)C*s及及C*L值：值：NLDRLeKKCC)1(000NLDRSeKKKCC)1(0000溝溝 槽槽不規(guī)則的胞狀界面不規(guī)則的胞狀界面狹長(zhǎng)的胞狀界面狹長(zhǎng)的胞狀界面規(guī)則胞狀態(tài)規(guī)則胞狀態(tài)胞狀晶的生長(zhǎng)方向垂直于固胞狀晶的生長(zhǎng)方向垂直于固-液界面（與熱流相反與液界面（與熱流相反與晶體學(xué)取向無關(guān)）。晶體學(xué)取向無關(guān)）。胞狀晶可認(rèn)為是一種亞結(jié)構(gòu)胞狀晶可認(rèn)為是一種亞結(jié)構(gòu)。胞狀生長(zhǎng)向枝晶生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變胞狀生長(zhǎng)向枝晶生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變a) 不同的成分過冷情況不同的成分過冷情況 b) 無成分過冷無成分過冷 平面晶平面晶C) 窄成分過冷區(qū)間窄成分過冷區(qū)間 胞狀晶胞狀晶 d) 成分過冷區(qū)

6、間較寬成分過冷區(qū)間較寬 柱狀樹枝晶柱狀樹枝晶 e) 寬成分過冷寬成分過冷 內(nèi)部等軸晶內(nèi)部等軸晶 eg. Pb-Sn ，Ag-Cu層片狀共晶；層片狀共晶； Al-Al3Ni棒狀共晶棒狀共晶 Fe-C , Al-Si 共晶；共晶；（3）小面）小面小面：小面： 非金屬非金屬非金屬非金屬; 琥珀睛琥珀睛-茨醇共晶茨醇共晶2）由）由另一相的生核困難另一相的生核困難所引所引起：合金偏離共晶成分，初起：合金偏離共晶成分，初晶相長(zhǎng)得較大，如另一相不晶相長(zhǎng)得較大，如另一相不能以初生相為襯底而生核，能以初生相為襯底而生核，或因液體過冷傾向大使該相或因液體過冷傾向大使該相析出受阻時(shí)，初生相就繼續(xù)析出受阻時(shí)，初生相就繼續(xù)長(zhǎng)大而把另一相留在枝晶間。長(zhǎng)大而把另一相留在枝晶間?！熬чg偏析型晶間偏析型”離異共離異共晶晶兩相兩相性質(zhì)差別較大性質(zhì)差別較大的的非小平面非小平面小平面小平面共晶合金中能更共晶合金中能更經(jīng)常地見到這種暈圈組織。由于兩相在生核能力和生長(zhǎng)經(jīng)常地見到這種暈圈組織。由于兩相在生核能力和生長(zhǎng)速度上的差別，第二相環(huán)繞著領(lǐng)先相表面生長(zhǎng)而形成一速度上的差別，第二相環(huán)繞著領(lǐng)先相表面生長(zhǎng)而形成一種鑲邊外圍層