材料科學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)晶核的形成和成長ppt課件

1、第六章第六章 資料的凝固資料的凝固晶核的構(gòu)成晶核的構(gòu)成晶體的生長晶體的生長固溶體合金的凝固固溶體合金的凝固共晶合金的凝固共晶合金的凝固概述概述制造工藝及凝固組織制造工藝及凝固組織前往前往下頁下頁 資料由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為資料由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為凝固。金屬及合金普通都要經(jīng)過熔煉與凝固。金屬及合金普通都要經(jīng)過熔煉與鑄造，也就是說要經(jīng)過由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣惕T造，也就是說要經(jīng)過由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝固過程。金屬及合金的結(jié)晶組織態(tài)的凝固過程。金屬及合金的結(jié)晶組織對其性能以及隨后的加工有很大的影響，對其性能以及隨后的加工有很大的影響，而結(jié)晶組織的構(gòu)成與結(jié)晶過程親密相關(guān)。而結(jié)晶組織的構(gòu)成與結(jié)晶過程親密相

2、關(guān)。因此，了解有關(guān)金屬和合金的結(jié)晶實(shí)際因此，了解有關(guān)金屬和合金的結(jié)晶實(shí)際和結(jié)晶過程，不僅對控制和結(jié)晶過程，不僅對控制概述概述鑄態(tài)組織，提高金屬制品的性能有重要鑄態(tài)組織，提高金屬制品的性能有重要的指點(diǎn)作用，而且也有助于了解金屬及的指點(diǎn)作用，而且也有助于了解金屬及合金的固態(tài)相變過程。合金的固態(tài)相變過程。 合金在極快冷速下可呈非晶態(tài)；合金在極快冷速下可呈非晶態(tài)；玻璃的凝固為非晶態(tài)；熱固性塑料、橡玻璃的凝固為非晶態(tài)；熱固性塑料、橡膠冷凝后為非晶態(tài)；熱塑性塑料有些為膠冷凝后為非晶態(tài)；熱塑性塑料有些為非晶態(tài)，有些為部分晶態(tài)。資料的凝固非晶態(tài)，有些為部分晶態(tài)。資料的凝固與氣相堆積是目前制備資料的兩種主要與氣

3、相堆積是目前制備資料的兩種主要類型。類型。純金屬的凝固純金屬的凝固固溶體的凝固固溶體的凝固過冷景象過冷景象凝固過程凝固過程平衡凝固平衡凝固非平衡凝固非平衡凝固:成分過冷成分過冷形核形核長大長大均勻均勻非均勻非均勻L-S界面微觀構(gòu)造界面微觀構(gòu)造消費(fèi)形狀消費(fèi)形狀胞狀胞狀樹枝狀樹枝狀粗糙粗糙光滑光滑緣由緣由臨界條件臨界條件外表細(xì)等軸晶外表細(xì)等軸晶柱狀晶柱狀晶中心粗等軸晶中心粗等軸晶鑄錠組織鑄錠組織共晶合金的凝固共晶合金的凝固構(gòu)成構(gòu)成形狀形狀晶體資料熔液凝固的根本規(guī)律晶體資料熔液凝固的根本規(guī)律一、液態(tài)金屬的構(gòu)造一、液態(tài)金屬的構(gòu)造固體是由許多晶粒組成的，液體那么是固體是由許多晶粒組成的，液體那么是由許多

4、原子集團(tuán)所組成。在原子集團(tuán)內(nèi)堅(jiān)由許多原子集團(tuán)所組成。在原子集團(tuán)內(nèi)堅(jiān)持固體的陳列特征，而在原子集團(tuán)之間的持固體的陳列特征，而在原子集團(tuán)之間的結(jié)合遭到很大的破壞。結(jié)合遭到很大的破壞。長程無序，近程范圍存在著接近于晶態(tài)長程無序，近程范圍存在著接近于晶態(tài)的原子陳列情況近程有序陳列。的原子陳列情況近程有序陳列。濃度起伏：各原子集團(tuán)之間成分的不同濃度起伏：各原子集團(tuán)之間成分的不同的景象。的景象。能量起伏：液態(tài)金屬中各原子之間能量能量起伏：液態(tài)金屬中各原子之間能量的不同和各個(gè)原子集團(tuán)間尺寸的不同的景的不同和各個(gè)原子集團(tuán)間尺寸的不同的景象或指體系中每個(gè)微小體積所具有的能量象或指體系中每個(gè)微小體積所具有的能量偏

5、離體系平均能量程度而大小不一的景象。偏離體系平均能量程度而大小不一的景象。構(gòu)造起伏：液態(tài)金屬中各種構(gòu)造不穩(wěn)定構(gòu)造起伏：液態(tài)金屬中各種構(gòu)造不穩(wěn)定景象。景象。一切原子集團(tuán)都處于瞬息萬變形狀，時(shí)一切原子集團(tuán)都處于瞬息萬變形狀，時(shí)聚時(shí)散，此起彼伏。聚時(shí)散，此起彼伏。二、金屬過冷景象的結(jié)晶圖二、金屬過冷景象的結(jié)晶圖 熱分析實(shí)驗(yàn)闡明，純金屬實(shí)踐開場熱分析實(shí)驗(yàn)闡明，純金屬實(shí)踐開場結(jié)晶溫度結(jié)晶溫度T總是低于平衡結(jié)晶溫度總是低于平衡結(jié)晶溫度Tm實(shí)際結(jié)晶溫度，這種景象稱為過實(shí)際結(jié)晶溫度，這種景象稱為過冷。實(shí)踐結(jié)晶溫度冷。實(shí)踐結(jié)晶溫度T與平衡結(jié)晶溫度與平衡結(jié)晶溫度Tm的差的差T稱為過冷度。稱為過冷度。 過冷度的大小

6、可由在一定條件下過冷度的大小可由在一定條件下所測定的，冷卻曲線來確定。當(dāng)冷卻所測定的，冷卻曲線來確定。當(dāng)冷卻到實(shí)際結(jié)晶溫度到實(shí)際結(jié)晶溫度Tm以下的某一溫度時(shí)，以下的某一溫度時(shí)，液態(tài)金屬開場結(jié)晶，由于結(jié)晶潛熱的液態(tài)金屬開場結(jié)晶，由于結(jié)晶潛熱的釋放，冷卻曲線出現(xiàn)溫度上升。當(dāng)所釋放，冷卻曲線出現(xiàn)溫度上升。當(dāng)所釋放的結(jié)晶潛熱正好補(bǔ)償系統(tǒng)向外界釋放的結(jié)晶潛熱正好補(bǔ)償系統(tǒng)向外界散失的熱量時(shí)，結(jié)晶過程將在一恒定散失的熱量時(shí)，結(jié)晶過程將在一恒定溫度下進(jìn)展，直到結(jié)晶終了，在冷卻溫度下進(jìn)展，直到結(jié)晶終了，在冷卻曲線上表現(xiàn)為一個(gè)程度段圖曲線上表現(xiàn)為一個(gè)程度段圖61。這個(gè)程度段所對應(yīng)的溫度就是金屬的這個(gè)程度段所對應(yīng)的

7、溫度就是金屬的實(shí)踐結(jié)晶溫度實(shí)踐結(jié)晶溫度T，T與與Tm的差值即是的差值即是金屬在該冷卻條件下的過冷度。金屬在該冷卻條件下的過冷度。 過冷度的大小與金屬的性質(zhì)、純度以及冷卻過冷度的大小與金屬的性質(zhì)、純度以及冷卻速度有關(guān)，不同金屬的過冷傾向不同，金屬的純速度有關(guān)，不同金屬的過冷傾向不同，金屬的純度越高，冷卻速度越大，那么過冷度就越大。度越高，冷卻速度越大，那么過冷度就越大。 在及其緩慢冷卻條件下，程度段的溫度與實(shí)在及其緩慢冷卻條件下，程度段的溫度與實(shí)際結(jié)溫度相差甚小，故可把緩慢冷卻曲線程度段際結(jié)溫度相差甚小，故可把緩慢冷卻曲線程度段所對應(yīng)的溫度看作是平衡結(jié)晶溫度所對應(yīng)的溫度看作是平衡結(jié)晶溫度Tm圖圖

8、61b。TmTT溫度溫度圖圖61 純金屬結(jié)晶的冷卻曲線純金屬結(jié)晶的冷卻曲線Tm時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間b三三.凝固的熱力學(xué)條件凝固的熱力學(xué)條件驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力LLSSvTHHsSvTHvGv.HsHLLmLmHHLS.0.GvTmT時(shí)當(dāng)液態(tài)和固態(tài)的吉布液態(tài)和固態(tài)的吉布斯自在能斯自在能-溫度曲線溫度曲線0. 0LVLSVSSTmHHGmmmLSLVTLTHHSSmmmmmmVTTTLTLTLG表示實(shí)踐晶體溫度總是低于實(shí)際結(jié)晶溫度，必需過冷。表示實(shí)踐晶體溫度總是低于實(shí)際結(jié)晶溫度，必需過冷。0.0,.0TTmTmLmGV要使TTm即即前往前往三三.過冷景象過冷景象四四.結(jié)晶的普經(jīng)過程結(jié)晶的普經(jīng)過程 當(dāng)液態(tài)金屬冷

9、卻到熔點(diǎn)當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到熔點(diǎn)Tm以下的以下的某一溫度開場結(jié)晶時(shí)，在液體中首先構(gòu)某一溫度開場結(jié)晶時(shí)，在液體中首先構(gòu)成一些穩(wěn)定的微小晶體，稱為晶核。隨成一些穩(wěn)定的微小晶體，稱為晶核。隨后這些晶核逐漸長大，與此同時(shí)，在液后這些晶核逐漸長大，與此同時(shí)，在液態(tài)金屬中又構(gòu)成一些新的穩(wěn)定的晶核并態(tài)金屬中又構(gòu)成一些新的穩(wěn)定的晶核并長大。整個(gè)結(jié)晶過程就是晶核的不斷構(gòu)長大。整個(gè)結(jié)晶過程就是晶核的不斷構(gòu)成和不斷長大、由小到大由部分到整體成和不斷長大、由小到大由部分到整體的開展過程。最后各晶體彼此接觸。液的開展過程。最后各晶體彼此接觸。液體完全消逝，構(gòu)成了體完全消逝，構(gòu)成了固態(tài)金屬的晶粒組織。每一個(gè)晶核長固態(tài)金屬的晶

10、粒組織。每一個(gè)晶核長大成為一個(gè)外形規(guī)那么的晶粒，晶粒大成為一個(gè)外形規(guī)那么的晶粒，晶粒之間的界面程為晶界。如圖之間的界面程為晶界。如圖 因此，液態(tài)金屬的結(jié)晶過程是由因此，液態(tài)金屬的結(jié)晶過程是由形核和長大兩個(gè)根本過程所構(gòu)成，并形核和長大兩個(gè)根本過程所構(gòu)成，并且這兩個(gè)過程是同時(shí)進(jìn)展的。液態(tài)金且這兩個(gè)過程是同時(shí)進(jìn)展的。液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)所構(gòu)成的晶核越多，結(jié)晶后屬結(jié)晶時(shí)所構(gòu)成的晶核越多，結(jié)晶后的晶粒就越細(xì)小，反之晶粒那么粗大。的晶粒就越細(xì)小，反之晶粒那么粗大。第一節(jié)第一節(jié) 晶核的構(gòu)成晶核的構(gòu)成一一.均勻形核均勻形核假設(shè)構(gòu)成一球形的晶核，即合金由液態(tài)晶核假設(shè)構(gòu)成一球形的晶核，即合金由液態(tài)晶核為球形的固相晶核，

11、其能量變化為：為球形的固相晶核，其能量變化為：AVGVG3334rrGV可得到當(dāng), 0rGddVkGr2臨界晶核半徑臨界晶核半徑：在均一的液相中靠本身的構(gòu)造：在均一的液相中靠本身的構(gòu)造起伏和能量起伏形構(gòu)成新相中心起伏和能量起伏形構(gòu)成新相中心的過程。的過程。前往前往22323316316TLmTmGGVk又形核的形核功又形核的形核功krT即表示容易形核，臨界晶核表示容易形核，臨界晶核半徑小半徑小形核功小，易于形核。即GkTAkTLmTGGrAkGrmkVkVk31)( 31616)(2223222晶核半徑與晶核半徑與G之間的關(guān)系之間的關(guān)系闡明闡明L-S的體積自在能差可補(bǔ)償臨界的體積自在能差可補(bǔ)償

12、臨界晶核所需外表能的晶核所需外表能的2/3，而另外，而另外1/3那么依托液體中存在的能量起那么依托液體中存在的能量起伏來補(bǔ)償伏來補(bǔ)償前往前往6- 2二二.非均勻形核非均勻形核依靠于液相中某種固體外表外來雜質(zhì)外表或容依靠于液相中某種固體外表外來雜質(zhì)外表或容器壁上構(gòu)成的過程。器壁上構(gòu)成的過程。6-56-522/2/33sin)cos1(2)3coscos32()(rArArVAVGGBSBLV外表張力平衡：外表張力平衡：cos/BLBSBLBSBLBSSLSLAAA/)()()coscos32(3/2SLr4coscos323勻非GGVkGrdrGd2)(可求得：由4coscos323kkGG2

13、， ，因此，因此，014coscos32030,0kG時(shí)當(dāng)kkGG 時(shí)，當(dāng)，闡明固體基底可視，闡明固體基底可視為現(xiàn)成晶核。為現(xiàn)成晶核。，闡明固體不起非均勻形，闡明固體不起非均勻形由此可得到以下結(jié)論：由此可得到以下結(jié)論：均下降，有利形核。和半徑，隨比，具有相同的臨界）非均勻與均勻形核相（kkGrT,1的基底作用。的基底作用。 3假設(shè)基底界面不是平面，假設(shè)基底界面不是平面，而是一曲面，闡明當(dāng)而是一曲面，闡明當(dāng)角和臨界角和臨界角半徑一樣時(shí)，晶核的體積為角半徑一樣時(shí)，晶核的體積為在基底凹面在基底凹面 最小，平面居中，最小，平面居中，凸面較大。可見凹面對形核的凸面較大?？梢姲济鎸π魏说拇龠M(jìn)作用效能最高。

14、促進(jìn)作用效能最高。三三.形核率形核率:單位時(shí)間單位體積中所構(gòu)成的單位時(shí)間單位體積中所構(gòu)成的晶核數(shù)晶核數(shù)6-3RTGRTGAkeeKVN絕對常數(shù)氣體常數(shù)激活能形核功比例常數(shù)TRGGKAkV形核率形核率N為單位時(shí)間、單位體積所構(gòu)成的晶為單位時(shí)間、單位體積所構(gòu)成的晶核數(shù)目。核數(shù)目。 對于均勻形核，形核率受兩個(gè)方面的對于均勻形核，形核率受兩個(gè)方面的要素所控制，即獲得能量起伏的幾率因子要素所控制，即獲得能量起伏的幾率因子N1和原子分散因子和原子分散因子N2。 在過冷度較小時(shí)，形核率主要受在過冷度較小時(shí)，形核率主要受N1所所控制。隨過冷度添加，控制。隨過冷度添加， N1增大，形核率迅增大，形核率迅速添加；

15、但當(dāng)過冷度很大時(shí)，形核率主要受速添加；但當(dāng)過冷度很大時(shí)，形核率主要受所所N2控制；隨過冷度進(jìn)一部增大，控制；隨過冷度進(jìn)一部增大， N2下降，下降，形核率也迅速降低。形核率也迅速降低。 對于非均勻形核，由于其形核功要對于非均勻形核，由于其形核功要比均勻形核小得多，因此，可以在比均勻形核小得多，因此，可以在較小的過冷度下獲得很高的形核率。較小的過冷度下獲得很高的形核率。由于非均勻形核主要是依靠再雜質(zhì)由于非均勻形核主要是依靠再雜質(zhì)或模壁等外表構(gòu)成，因此非均勻形或模壁等外表構(gòu)成，因此非均勻形核的最大值取決于液態(tài)金屬中可作核的最大值取決于液態(tài)金屬中可作為基底的固態(tài)粒子的種類和數(shù)量。為基底的固態(tài)粒子的種類

16、和數(shù)量。 前往前往第二節(jié)第二節(jié) 晶體的生長晶體的生長一一.液液-固界面的微觀構(gòu)造固界面的微觀構(gòu)造粗糙界面粗糙界面L-S原子并不完全分別，陳列高高低低，粗原子并不完全分別，陳列高高低低，粗糙不平。糙不平。光滑界面光滑界面L-S原子分開，陳列成平整的原子平面。原子分開，陳列成平整的原子平面。圖圖 一、資料的熔化熵對晶體生長的影響一、資料的熔化熵對晶體生長的影響 熔化熵是表征資料晶體生長特性的根本熔化熵是表征資料晶體生長特性的根本參數(shù)，用參數(shù)，用S/k= 表示。式中表示。式中 S =SsSL， k為玻爾茲曼常數(shù)，為玻爾茲曼常數(shù)， H為熔化熱，為熔化熱，Te為實(shí)際凝固溫度。為實(shí)際凝固溫度。1 2 這種

17、類型的界面在晶體生這種類型的界面在晶體生長時(shí)，液態(tài)原子可在界面上的恣意位置轉(zhuǎn)移長時(shí)，液態(tài)原子可在界面上的恣意位置轉(zhuǎn)移到固相，導(dǎo)致晶體的延續(xù)生長。其生長速度到固相，導(dǎo)致晶體的延續(xù)生長。其生長速度v=kT， k是個(gè)很大的比例常數(shù)。是個(gè)很大的比例常數(shù)。 HkTeHkTe2 =23.5液固界面只需一個(gè)原子層液固界面只需一個(gè)原子層厚，通常稱為光滑界面，界面上有許多臺(tái)階厚，通常稱為光滑界面，界面上有許多臺(tái)階和扭折，液態(tài)原子只需附著于臺(tái)階和扭折上和扭折，液態(tài)原子只需附著于臺(tái)階和扭折上才干生長沿著臺(tái)階側(cè)向生長的方向。當(dāng)原子才干生長沿著臺(tái)階側(cè)向生長的方向。當(dāng)原子鋪滿了這一單原子層時(shí)生長即暫時(shí)停頓，等鋪滿了這一單

18、原子層時(shí)生長即暫時(shí)停頓，等到外表再產(chǎn)生新臺(tái)階再繼續(xù)生長；但當(dāng)晶體到外表再產(chǎn)生新臺(tái)階再繼續(xù)生長；但當(dāng)晶體外表存在有螺型位錯(cuò)便能源源不斷地提供生外表存在有螺型位錯(cuò)便能源源不斷地提供生長臺(tái)階。長臺(tái)階。HkTe3 10 生長速度很慢只能靠在液固界面上不斷地生長速度很慢只能靠在液固界面上不斷地二維構(gòu)成才得以生長，這類資料的凝固過程，二維構(gòu)成才得以生長，這類資料的凝固過程，很大程度地取決于形核速度而不是生長速度。很大程度地取決于形核速度而不是生長速度。二二.溫度對晶體生長的影響溫度對晶體生長的影響kTeH粗糙界面粗糙界面負(fù)溫度梯度：枝晶生長負(fù)溫度梯度：枝晶生長正溫度梯度：平面狀生長正溫度梯度：平面狀生長光

19、滑界面光滑界面正溫度梯度：一系列小臺(tái)階正溫度梯度：一系列小臺(tái)階負(fù)溫度梯度：多面體負(fù)溫度梯度：多面體為什么會(huì)構(gòu)成這樣的形狀？為什么會(huì)構(gòu)成這樣的形狀？在正的溫度梯度下，呈平面狀生長。在正的溫度梯度下，呈平面狀生長。1對于粗糙界面的晶體，其生長界面以對于粗糙界面的晶體，其生長界面以垂直長大方式推進(jìn)。由于前方液體溫度高，垂直長大方式推進(jìn)。由于前方液體溫度高，生長界面只能隨前方液體的逐漸冷卻而均勻生長界面只能隨前方液體的逐漸冷卻而均勻地向前推移。整個(gè)液固相界面堅(jiān)持穩(wěn)定的平地向前推移。整個(gè)液固相界面堅(jiān)持穩(wěn)定的平面形狀，不產(chǎn)生明顯的突起。界面上的溫度面形狀，不產(chǎn)生明顯的突起。界面上的溫度一樣并堅(jiān)持不變，由于

20、粗糙界面的推移所需一樣并堅(jiān)持不變，由于粗糙界面的推移所需求能量較小，因此，大多數(shù)金屬的動(dòng)態(tài)過冷求能量較小，因此，大多數(shù)金屬的動(dòng)態(tài)過冷度相當(dāng)小，晶體的生長界面與等溫線幾乎重度相當(dāng)小，晶體的生長界面與等溫線幾乎重合。合。2對于光滑界面構(gòu)造的晶體，其生長界對于光滑界面構(gòu)造的晶體，其生長界面以小平面臺(tái)階生長方式推進(jìn)。小平面臺(tái)面以小平面臺(tái)階生長方式推進(jìn)。小平面臺(tái)階的擴(kuò)展同樣不能伸入到前方溫度高于等階的擴(kuò)展同樣不能伸入到前方溫度高于等溫線的液體中去，因此從宏觀看液固相界溫線的液體中去，因此從宏觀看液固相界面似與等溫線平行，但小平面與等溫線呈面似與等溫線平行，但小平面與等溫線呈一定角度。一定角度。在負(fù)的溫度

21、梯度下，呈樹枝狀生長。在負(fù)的溫度梯度下，呈樹枝狀生長。晶體生長界面一旦出現(xiàn)部分凸出生長，由晶體生長界面一旦出現(xiàn)部分凸出生長，由于前方液體具有更大的過冷度而使其生長于前方液體具有更大的過冷度而使其生長速度添加。在這種情況下，生長界面就不速度添加。在這種情況下，生長界面就不堅(jiān)持平面狀而會(huì)構(gòu)成許多伸向液堅(jiān)持平面狀而會(huì)構(gòu)成許多伸向液體的結(jié)晶軸。體的結(jié)晶軸。1對于粗糙界面構(gòu)造的金屬對于粗糙界面構(gòu)造的金屬晶體，以樹枝狀方式生長。晶體，以樹枝狀方式生長。2對于光滑界面構(gòu)造的晶體，對于光滑界面構(gòu)造的晶體，仍以平面生長為主，某些具有小仍以平面生長為主，某些具有小平面的樹枝狀結(jié)晶特征。平面的樹枝狀結(jié)晶特征。前往前

22、往第三節(jié)第三節(jié) 固溶體合金的凝固固溶體合金的凝固一、合金凝固的三種典型情況一、合金凝固的三種典型情況1、平衡凝固、平衡凝固平衡分配系數(shù)：平衡分配系數(shù)：110KKSLSLCCKLS或平衡時(shí)液相平衡成分平衡時(shí)固相平衡成分平衡時(shí)固溶體的成分是均勻的。平衡時(shí)固溶體的成分是均勻的。2、不平衡凝固、不平衡凝固1固相內(nèi)無分散，液相內(nèi)能到達(dá)固相內(nèi)無分散，液相內(nèi)能到達(dá)完全均勻化，由于是不平衡凝固，完全均勻化，由于是不平衡凝固，所以平衡分配系數(shù)不是整個(gè)固相和所以平衡分配系數(shù)不是整個(gè)固相和液相在成分上的平衡分配，而是部液相在成分上的平衡分配，而是部分平衡，是指在界面上液固兩相必分平衡，是指在界面上液固兩相必需堅(jiān)持一

23、定的溶質(zhì)分配。需堅(jiān)持一定的溶質(zhì)分配。2固相內(nèi)無分散，液相內(nèi)只需分固相內(nèi)無分散，液相內(nèi)只需分散沒有對流溶質(zhì)原子只能部分混合。散沒有對流溶質(zhì)原子只能部分混合。C0曲線曲線1曲線曲線3曲線曲線3曲線曲線3曲線曲線1曲線曲線2圖圖6-16 合金凝固三種情況的溶質(zhì)分部曲線比較合金凝固三種情況的溶質(zhì)分部曲線比較曲線曲線1平衡凝固平衡凝固 曲線曲線2不平衡凝固，液體不平衡凝固，液體內(nèi)溶質(zhì)能均勻混合內(nèi)溶質(zhì)能均勻混合 曲線曲線3不平衡凝固，液體不平衡凝固，液體內(nèi)只需分散無對流內(nèi)只需分散無對流k0C0二、固溶體的穩(wěn)態(tài)凝固二、固溶體的穩(wěn)態(tài)凝固液相中溶質(zhì)原子完全混合：液相中溶質(zhì)原子完全混合：液相中溶質(zhì)原子部分混合：液

24、相中溶質(zhì)原子部分混合：液相中溶質(zhì)原子依托分散來混合：液相中溶質(zhì)原子依托分散來混合：1000)1 (kSLxCkC10)1 (ekeSLxCkC)exp(11)(000DRkkCxCxL有效分配系數(shù)：有效分配系數(shù)：)(LSeCCLSk濃度邊界層以外的液體平均界面處固相的濃度凝固時(shí) DRekkkk/000)1 (凝固速度R擴(kuò)散系數(shù)D邊界層厚度圖圖下頁下頁例題例題.)1 ()() 1(100000kSLxCkxCKC程為：方試棒單向凝固后的分布成分的合金，固體成分基本不變時(shí)試證明在液體充分混合因?yàn)椋簽椋憾合嘀性黾拥娜苜|(zhì)量為：凝固后，排放溶質(zhì)質(zhì)量為則這時(shí)液體的溶質(zhì)濃度布為證明：設(shè)固體中溶質(zhì)分).()

25、(,)()(,/ )()(),(0dxxLAxdCLdxAxCxCkxCxCxCSLSLS)()()()(dxxLAxdCdxAxCxCLSL項(xiàng)，得：略去AdxxdCL )(圖圖上頁上頁1000000000000001)()1ln()1()(ln)1()()()1()()()1()()()()()()()(kSSxCCkSSSSSSSSSLxCkxCLxkCkxCxLdxkxCxdCxLdxkxCxdCdxkxCxLAxdCdxAxCkxdCxLAkxdCS固溶質(zhì)的分配關(guān)系為：三、成分過冷三、成分過冷1.成分過冷的概念：在合金正常凝固時(shí)在液成分過冷的概念：在合金正常凝固時(shí)在液固相界面前沿液體中

26、存在著溶質(zhì)偏聚，導(dǎo)致固相界面前沿液體中存在著溶質(zhì)偏聚，導(dǎo)致了界面前沿液體溶點(diǎn)的改動(dòng)。合金液體的熔了界面前沿液體溶點(diǎn)的改動(dòng)。合金液體的熔點(diǎn)隨著溶質(zhì)濃度的變化由相圖中的液相線確點(diǎn)隨著溶質(zhì)濃度的變化由相圖中的液相線確定。在定。在Ko1的情況下，液體熔點(diǎn)隨溶質(zhì)濃度的情況下，液體熔點(diǎn)隨溶質(zhì)濃度的提高而下降。界面前沿過冷的產(chǎn)生將不僅的提高而下降。界面前沿過冷的產(chǎn)生將不僅取決于界面前沿液體中實(shí)踐溫度的分布，還取決于界面前沿液體中實(shí)踐溫度的分布，還與溶質(zhì)濃度的分布有關(guān)，這種與液體中溶質(zhì)與溶質(zhì)濃度的分布有關(guān)，這種與液體中溶質(zhì)濃度相關(guān)的過冷稱成分過冷。濃度相關(guān)的過冷稱成分過冷。成分過冷是由成分變化與實(shí)踐溫度分成分

27、過冷是由成分變化與實(shí)踐溫度分布共同決議的。成分過冷大小及分布布共同決議的。成分過冷大小及分布的根本要素是凝固時(shí)界面前沿液體的的根本要素是凝固時(shí)界面前沿液體的溶質(zhì)濃度與實(shí)踐溫度的分布情況。溶質(zhì)濃度與實(shí)踐溫度的分布情況。純金屬凝固純金屬凝固熱溫過冷熱溫過冷合金凝固合金凝固 成分過冷成分過冷2.成分過成分過冷的產(chǎn)生冷的產(chǎn)生3.出現(xiàn)成分過冷的臨界條件出現(xiàn)成分過冷的臨界條件LLmCTmTDRxkkmCTmTLexp1100000/kmCTmTiDRxkkmCTTiLexp1)1 (000下頁下頁mGxTTiDRxkkmCTGxTiiexp1)1 (0000001kkDmCRG臨界條件：影響成分過冷的要素

28、影響成分過冷的要素產(chǎn)生成分過冷傾向增大合金性質(zhì)：00;KDCm產(chǎn)生成分過冷傾向增大外界條件： RG;三、成分過冷及其對晶體長大外形的影響三、成分過冷及其對晶體長大外形的影響 當(dāng)成分過冷區(qū)大時(shí)，晶體的樹枝狀生長當(dāng)成分過冷區(qū)大時(shí)，晶體的樹枝狀生長能得到完善的開展；當(dāng)成分過冷區(qū)較小時(shí)，能得到完善的開展；當(dāng)成分過冷區(qū)較小時(shí)，生長的晶體外表前沿只能稍稍突向伸展于液生長的晶體外表前沿只能稍稍突向伸展于液體中，小的成分過冷區(qū)限制了它的生長，不體中，小的成分過冷區(qū)限制了它的生長，不能構(gòu)成樹枝狀。這叫胞狀生長。構(gòu)成的胞狀能構(gòu)成樹枝狀。這叫胞狀生長。構(gòu)成的胞狀構(gòu)造在橫截面上呈規(guī)那么的六角形，在縱截構(gòu)造在橫截面上呈

29、規(guī)那么的六角形，在縱截面上那么為一組平行的棒狀晶體，但每個(gè)晶面上那么為一組平行的棒狀晶體，但每個(gè)晶體中間突起兩側(cè)凹陷，中間部分先凝固并把體中間突起兩側(cè)凹陷，中間部分先凝固并把雜質(zhì)排向兩側(cè)，這叫顯微的胞狀偏析。雜質(zhì)排向兩側(cè)，這叫顯微的胞狀偏析。 如圖如圖前往前往第四節(jié)第四節(jié) 共晶合金的凝固共晶合金的凝固一、共晶體的構(gòu)成一、共晶體的構(gòu)成合金的凝固過程合金的凝固過程形核形核交替交替搭橋搭橋長大相互促進(jìn)的并列生長長大相互促進(jìn)的并列生長 在一定過冷度下，先析出假設(shè)在一定過冷度下，先析出假設(shè)，假設(shè)假設(shè)相為以相為以A為溶劑，為溶劑，B為溶質(zhì)的固溶為溶質(zhì)的固溶體，那么體，那么B組元被排出，使組元被排出，使周圍

30、液相周圍液相 ，那么那么相依靠形核，同理構(gòu)成這樣反復(fù)相相依靠形核，同理構(gòu)成這樣反復(fù)相互促進(jìn)，交替形核，互促進(jìn)，交替形核，與與也可以搭橋機(jī)也可以搭橋機(jī)制形核。制形核。 共晶體的長大為兩相的相互促進(jìn)的共晶體的長大為兩相的相互促進(jìn)的并列生長并列生長,共晶生長的原子分散是靠兩相共晶生長的原子分散是靠兩相不斷生長來維持的不斷生長來維持的,因此每一相生長都受因此每一相生長都受另一相的影響另一相的影響,只需兩一樣時(shí)存在共同生只需兩一樣時(shí)存在共同生長才成為共晶凝固長才成為共晶凝固.二、共晶體的構(gòu)造二、共晶體的構(gòu)造共晶體的形狀根本特征共晶體的形狀根本特征 兩相交替陳列兩相交替陳列,但兩相的形狀卻是多種多樣的但兩

31、相的形狀卻是多種多樣的, 如層片狀、棒狀、球狀、花朵狀、樹枝狀、螺如層片狀、棒狀、球狀、花朵狀、樹枝狀、螺 旋狀、針狀。旋狀、針狀。按共晶兩相凝固生長時(shí)液按共晶兩相凝固生長時(shí)液-固相界面的性質(zhì)來分固相界面的性質(zhì)來分粗糙粗糙-粗糙界面金屬粗糙界面金屬-金屬型金屬型粗糙粗糙-光滑界面金屬光滑界面金屬-非金屬型：不規(guī)那么或非金屬型：不規(guī)那么或復(fù)雜的組織形狀復(fù)雜的組織形狀,如樹枝狀、針片狀和骨骼狀。如樹枝狀、針片狀和骨骼狀。層片狀層片狀棒狀棒狀第三組元對共晶組織的影響第三組元對共晶組織的影響胞狀胞狀共晶合金中的初生形狀共晶合金中的初生形狀初生晶為金屬固溶體初生晶為金屬固溶體樹枝狀樹枝狀初生晶為非金屬固

32、溶體初生晶為非金屬固溶體多面體多面體三、雜質(zhì)對共晶生長的影響三、雜質(zhì)對共晶生長的影響1、雜質(zhì)對第一類共晶生長的影響、雜質(zhì)對第一類共晶生長的影響雜質(zhì)對片層狀共晶生長的影響雜質(zhì)對片層狀共晶生長的影響1雜雜質(zhì)可使純共晶的平面式生長變?yōu)榘麪钯|(zhì)可使純共晶的平面式生長變?yōu)榘麪钌L。生長。2雜質(zhì)的影響還可使片狀共雜質(zhì)的影響還可使片狀共晶構(gòu)造變?yōu)榘魻罟簿А＞?gòu)造變?yōu)榘魻罟簿А?、雜質(zhì)對第二類共晶生長的影響、雜質(zhì)對第二類共晶生長的影響在第二類共晶中，當(dāng)參與少量的雜質(zhì)在第二類共晶中，當(dāng)參與少量的雜質(zhì)時(shí)共晶組織就有顯著的改動(dòng)。時(shí)共晶組織就有顯著的改動(dòng)。1在在AlSi共晶合金中參與少量的鈉鹽，使共晶合金中參與少量的鈉

33、鹽，使粗大的片狀粗大的片狀或針狀的共晶或針狀的共晶Si變得很細(xì)且有較多的變得很細(xì)且有較多的分枝；另外，還有少量的鋁初生晶出分枝；另外，還有少量的鋁初生晶出現(xiàn)?，F(xiàn)。在在FeC共晶中共晶中1在灰鑄鐵中參與鈰在灰鑄鐵中參與鈰或鎂合金時(shí)，可使片狀石墨變?yōu)榍驙??；蜴V合金時(shí)，可使片狀石墨變?yōu)榍驙?。四、偏離共晶成分的合金凝固四、偏離共晶成分的合金凝固 資料的性能除取決于兩相的本性以資料的性能除取決于兩相的本性以外，還取決于兩相的體積比例及兩外，還取決于兩相的體積比例及兩相的外形。如凝固生長時(shí)，相的外形。如凝固生長時(shí)，G/R小小于臨界值，產(chǎn)生成分過冷，會(huì)構(gòu)成于臨界值，產(chǎn)生成分過冷，會(huì)構(gòu)成胞狀或樹枝狀組織，只需胞狀或樹枝狀組織，只需G/R大于大于臨界值才干得到棒狀構(gòu)造的共晶。臨界值才干得到棒狀構(gòu)造的共晶。當(dāng)當(dāng)C0成分的合金接近于成分的合金接近于CE時(shí)，易時(shí)，易獲得片狀構(gòu)造的共晶。獲得片狀構(gòu)造的共晶。前往前往第五節(jié)第五節(jié) 制造工藝與凝固組織制造工藝與凝固組織外表細(xì)等軸晶：外表細(xì)等軸晶：T增大，各方向散熱條增大，各方向散熱條件一樣，件一樣，N增大。增大。枝狀晶：垂直于型腔壁，散熱快，長大枝狀晶：垂直于型腔壁，散熱快，長大速度快。速度快。中心粗等軸晶：中心粗等軸晶： 小，各方向的散熱條小，各方向的散熱條件一樣。件一樣。問題問題三區(qū)構(gòu)