材料成形技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)課程

1、2006-9-7第1頁(yè)/共137頁(yè)第一頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)l純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu) 原子集團(tuán)、游離原子、空穴或裂紋組成l實(shí)際的液態(tài)金屬（合金）結(jié)構(gòu) 各種成分的原子集團(tuán)、游離原子、空穴、裂紋、雜質(zhì)及氣泡組成l液態(tài)金屬的特點(diǎn) 能量起伏、成分起伏、結(jié)構(gòu)（相）起伏第2頁(yè)/共137頁(yè)第二頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7液態(tài)金屬的熱物理性質(zhì)第3頁(yè)/共137頁(yè)第三頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7間接說明液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)接近固態(tài)間接說明液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)接近固態(tài)而遠(yuǎn)離氣態(tài)金屬而遠(yuǎn)離氣態(tài)金屬第4頁(yè)/共137頁(yè)第四頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分

2、。2006-9-7第5頁(yè)/共137頁(yè)第五頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7近程有序、遠(yuǎn)程無序近程有序、遠(yuǎn)程無序第6頁(yè)/共137頁(yè)第六頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7液態(tài)金屬的性質(zhì)l液態(tài)金屬的粘滯性（粘度） 1. 粘度的實(shí)質(zhì)及影響因素牛頓液體粘質(zhì)定律牛頓液體粘質(zhì)定律( )/xdvF xAdy第7頁(yè)/共137頁(yè)第七頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7l粘度的本質(zhì) 原子間的結(jié)合力l影響粘度的因素 原子離位激活能 原子間的距離 溫度 夾雜物及合金元素第8頁(yè)/共137頁(yè)第八頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7粘度在材料成形過程中的意義l 對(duì)液

3、態(tài)金屬凈化的影響u夾雜物和氣泡斯托克斯公式斯托克斯公式1212()()PVgV第9頁(yè)/共137頁(yè)第九頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7l對(duì)液態(tài)合金流動(dòng)阻力的影響 流體的流動(dòng)分層流和紊流 雷諾數(shù)Re的大小決定 Re2300為紊流，ReTm GSGL 熔化熔化 TTm GST。第45頁(yè)/共137頁(yè)第四十五頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7二、自發(fā)形核二、自發(fā)形核 液相液相固態(tài)：能壘固態(tài)：能壘G Gd d 能壘能壘G Gd d的克服，是通過液態(tài)內(nèi)部的溫度起伏，即能量的克服，是通過液態(tài)內(nèi)部的溫度起伏，即能量起伏來實(shí)現(xiàn)的。起伏來實(shí)現(xiàn)的。 形核形核：穩(wěn)定的液相通過溫度起伏在

4、一些微小區(qū)域內(nèi)部形成：穩(wěn)定的液相通過溫度起伏在一些微小區(qū)域內(nèi)部形成穩(wěn)定存在的晶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的過程。穩(wěn)定存在的晶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的過程。 兩種形核方式兩種形核方式：自發(fā)形核和非自發(fā)形核。：自發(fā)形核和非自發(fā)形核。 非自發(fā)形核是指在不均勻熔體中非自發(fā)形核是指在不均勻熔體中依靠外來雜質(zhì)依靠外來雜質(zhì)界面或各種界面或各種襯襯底底形核的過程，而自發(fā)形核則是指在形核的過程，而自發(fā)形核則是指在不借助任何外來界面不借助任何外來界面的的均勻熔體中形核的過程。均勻熔體中形核的過程。 第46頁(yè)/共137頁(yè)第四十六頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 自發(fā)形核的物理化學(xué)實(shí)質(zhì)是，液體內(nèi)部出現(xiàn)晶自發(fā)形核的物理化學(xué)實(shí)質(zhì)是，液體內(nèi)

5、部出現(xiàn)晶核時(shí)，系統(tǒng)的吉布斯自由能變化由固、液核時(shí)，系統(tǒng)的吉布斯自由能變化由固、液兩相能兩相能差差和固、液和固、液界面能差界面能差組成。前者是相變的驅(qū)動(dòng)力，后組成。前者是相變的驅(qū)動(dòng)力，后者則是相變的阻力。者則是相變的阻力。 僅靠液相內(nèi)部自發(fā)形核的過程，需要較大的過冷度僅靠液相內(nèi)部自發(fā)形核的過程，需要較大的過冷度才得以完成。才得以完成。 第47頁(yè)/共137頁(yè)第四十七頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7均質(zhì)形核熱力學(xué)均質(zhì)形核熱力學(xué) 單位體積的液態(tài)金屬（合金）單位體積的液態(tài)金屬（合金）在一定的過冷度在一定的過冷度T T下，其內(nèi)部下，其內(nèi)部產(chǎn)生產(chǎn)生1個(gè)晶核，并假設(shè)晶核為球個(gè)晶核，并假設(shè)晶核

6、為球形，則體系的吉布斯自由能的變形，則體系的吉布斯自由能的變化為化為32C443VLGrGr 均均均第48頁(yè)/共137頁(yè)第四十八頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7r*稱為晶核臨界半徑稱為晶核臨界半徑0,d Gdr均令得*2*C480VLrGr均均*C2LVrG均*m2HCLmTrT均3S2*C22mT1613HT3LmLGA均*第49頁(yè)/共137頁(yè)第四十九頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7均質(zhì)形核速率均質(zhì)形核速率形核率為單位時(shí)間、單位體積生成晶核的數(shù)目形核率為單位時(shí)間、單位體積生成晶核的數(shù)目*0If N均*exp()TLBGNNk均0exp()TAsBGfN v

7、pk第50頁(yè)/共137頁(yè)第五十頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7*exp()TAsLBGGIvN pNk均均21TIe均第51頁(yè)/共137頁(yè)第五十一頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7均質(zhì)形核理論的局限性均質(zhì)形核理論的局限性均質(zhì)形核是對(duì)純金屬而言的，其過冷度很大，約均質(zhì)形核是對(duì)純金屬而言的，其過冷度很大，約為為0.2Tm純液態(tài)鐵的純液態(tài)鐵的T=1590T=1590* *0.2=3180.2=318實(shí)際上，金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度一般為幾實(shí)際上，金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度一般為幾分之一攝氏度到幾十?dāng)z氏度分之一攝氏度到幾十?dāng)z氏度第52頁(yè)/共137頁(yè)第五十二頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn)

8、 十分。2006-9-7異質(zhì)形核熱力學(xué)異質(zhì)形核熱力學(xué)cosLSCSCL第53頁(yè)/共137頁(yè)第五十三頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7()cVCSCSLSCLCLGVGAA 異3230( sin )(cos )(23coscos)3crVrd rr202sin2(1 cos )CLArrdr222( sin )(1 cos)CSArr332423coscos(4)()34VCLrGGr 異( )GG f 異均第54頁(yè)/共137頁(yè)第五十四頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7*m22HCLCLmVTrGT異3222m*16( )3H1( )( )3CLmCLTGfTG

9、fAf 異*均第55頁(yè)/共137頁(yè)第五十五頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第56頁(yè)/共137頁(yè)第五十六頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第57頁(yè)/共137頁(yè)第五十七頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第58頁(yè)/共137頁(yè)第五十八頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7異質(zhì)形核速率及其影響因素異質(zhì)形核速率及其影響因素2( )fTIe異n過冷度過冷度n界面界面n液體的過熱液體的過熱及持續(xù)時(shí)間及持續(xù)時(shí)間第59頁(yè)/共137頁(yè)第五十九頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 原子數(shù)：原子數(shù)： n n凸凸 n n平平 n n凹凹形核能力形

10、核能力: : 弱弱 中中 強(qiáng)強(qiáng)第60頁(yè)/共137頁(yè)第六十頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7在一定范圍內(nèi)增加過冷度，無論是非自發(fā)形核還是自發(fā)形核的形核率都會(huì)得到顯著提高。其中非自發(fā)形核比自發(fā)形核需要小得多的過冷度。T第61頁(yè)/共137頁(yè)第六十一頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7形核劑應(yīng)該具備下述特點(diǎn)：形核劑應(yīng)該具備下述特點(diǎn)： 1. .失配度小失配度小 襯底晶面總是力圖與最相近的晶格常數(shù)與鍵型襯底晶面總是力圖與最相近的晶格常數(shù)與鍵型的晶面相結(jié)合，有的晶面相結(jié)合，有完全共格對(duì)應(yīng)完全共格對(duì)應(yīng)與與半共格對(duì)應(yīng)半共格對(duì)應(yīng)界面。界面。 界面原子間距對(duì)應(yīng)程度可由點(diǎn)陣失配度來衡量。

11、界面原子間距對(duì)應(yīng)程度可由點(diǎn)陣失配度來衡量。三、形核劑 細(xì)化金屬晶粒，改善材料性能。第62頁(yè)/共137頁(yè)第六十二頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第63頁(yè)/共137頁(yè)第六十三頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 當(dāng)當(dāng)55時(shí)，通過點(diǎn)陣畸變，可以實(shí)現(xiàn)晶面兩時(shí)，通過點(diǎn)陣畸變，可以實(shí)現(xiàn)晶面兩側(cè)的原子對(duì)應(yīng)，這種界面就是側(cè)的原子對(duì)應(yīng)，這種界面就是完全共格界面完全共格界面。其界。其界面能最低，促進(jìn)非白發(fā)形核能力最強(qiáng)，形核率最高。面能最低，促進(jìn)非白發(fā)形核能力最強(qiáng)，形核率最高。 當(dāng)當(dāng)5 5 25x0.95)第72頁(yè)/共137頁(yè)第七十二頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7

12、 從固液界面微觀尺度考慮，可將其自然劃分成從固液界面微觀尺度考慮，可將其自然劃分成粗糙界面和光滑界面，光滑界面也稱為小晶面，而粗糙界面和光滑界面，光滑界面也稱為小晶面，而把粗糙界面又稱為非小晶面。把粗糙界面又稱為非小晶面。 光滑界面：界面上有很多空位被原子占據(jù)，或幾光滑界面：界面上有很多空位被原子占據(jù)，或幾乎所有空位被原子占有。光滑界面上仍允許有一乎所有空位被原子占有。光滑界面上仍允許有一些小的臺(tái)階存在。些小的臺(tái)階存在。 粗糙界面：從原子尺度上看是粗糙的，但粗糙界面：從原子尺度上看是粗糙的，但從宏觀上看從宏觀上看卻是卻是“光滑光滑”的。的。固液界面的結(jié)構(gòu)第73頁(yè)/共137頁(yè)第七十三頁(yè)，編輯于星

13、期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第74頁(yè)/共137頁(yè)第七十四頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第75頁(yè)/共137頁(yè)第七十五頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 晶體生長(zhǎng)方式由固液界面結(jié)構(gòu)所確定，一般粗糙界晶體生長(zhǎng)方式由固液界面結(jié)構(gòu)所確定，一般粗糙界面對(duì)應(yīng)于連續(xù)長(zhǎng)大，光滑界面對(duì)應(yīng)于側(cè)面長(zhǎng)大。面對(duì)應(yīng)于連續(xù)長(zhǎng)大，光滑界面對(duì)應(yīng)于側(cè)面長(zhǎng)大。 界面越粗糙，原子長(zhǎng)大沉積過程越容易。對(duì)于光界面越粗糙，原子長(zhǎng)大沉積過程越容易。對(duì)于光滑界面，原子主要依靠臺(tái)階長(zhǎng)大。對(duì)這兩種長(zhǎng)大方滑界面，原子主要依靠臺(tái)階長(zhǎng)大。對(duì)這兩種長(zhǎng)大方式，粗糙界面的連續(xù)長(zhǎng)大要比光滑界面的側(cè)向長(zhǎng)大式，粗糙界面的

14、連續(xù)長(zhǎng)大要比光滑界面的側(cè)向長(zhǎng)大容易得多。容易得多。 連續(xù)長(zhǎng)大的含義是長(zhǎng)大過程可以連續(xù)不斷地進(jìn)行；連續(xù)長(zhǎng)大的含義是長(zhǎng)大過程可以連續(xù)不斷地進(jìn)行；而側(cè)面長(zhǎng)大，在長(zhǎng)大臺(tái)階消耗殆盡后，只有依靠在而側(cè)面長(zhǎng)大，在長(zhǎng)大臺(tái)階消耗殆盡后，只有依靠在界面形成新的臺(tái)階，才能使長(zhǎng)大過程持續(xù)進(jìn)行。界面形成新的臺(tái)階，才能使長(zhǎng)大過程持續(xù)進(jìn)行。生長(zhǎng)方式第76頁(yè)/共137頁(yè)第七十六頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7l連續(xù)生長(zhǎng)連續(xù)生長(zhǎng)11KvKT第77頁(yè)/共137頁(yè)第七十七頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7側(cè)面生長(zhǎng)側(cè)面生長(zhǎng)二維晶核臺(tái)階生長(zhǎng)二維晶核臺(tái)階生長(zhǎng)/22KBTvK e缺陷形成臺(tái)階生長(zhǎng)缺陷形成臺(tái)

15、階生長(zhǎng)螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)233KvKT第78頁(yè)/共137頁(yè)第七十八頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第79頁(yè)/共137頁(yè)第七十九頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7旋轉(zhuǎn)孿晶生長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)孿晶生長(zhǎng)反射孿晶生長(zhǎng)反射孿晶生長(zhǎng)第80頁(yè)/共137頁(yè)第八十頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 與形核過程類似，生長(zhǎng)過程也需要克服能壘。即與形核過程類似，生長(zhǎng)過程也需要克服能壘。即需要一定的過冷度，生長(zhǎng)所需過冷度與晶體生長(zhǎng)方需要一定的過冷度，生長(zhǎng)所需過冷度與晶體生長(zhǎng)方式有很大關(guān)系。式有很大關(guān)系。 當(dāng)過冷度較小時(shí)，光滑界面趨向于螺型位錯(cuò)方式生當(dāng)過冷度較小時(shí)，光滑界面趨向

16、于螺型位錯(cuò)方式生長(zhǎng)；過冷度較大時(shí)，則轉(zhuǎn)為連續(xù)生長(zhǎng)。二維生長(zhǎng)方式對(duì)長(zhǎng)；過冷度較大時(shí)，則轉(zhuǎn)為連續(xù)生長(zhǎng)。二維生長(zhǎng)方式對(duì)于光滑界面的晶體幾乎是不可能的。在所有生長(zhǎng)方式中，于光滑界面的晶體幾乎是不可能的。在所有生長(zhǎng)方式中，連續(xù)生長(zhǎng)的速度始終是最快的。連續(xù)生長(zhǎng)的速度始終是最快的。 生長(zhǎng)速度第81頁(yè)/共137頁(yè)第八十一頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7T第82頁(yè)/共137頁(yè)第八十二頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7作業(yè) P51：3、5第83頁(yè)/共137頁(yè)第八十三頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7單相合金的凝固單相合金的凝固 什么是平衡分配系數(shù)？什么是平衡分配系

17、數(shù)？非平衡凝固的非平衡凝固的Scheil方程與平衡凝固杠桿定律方程與平衡凝固杠桿定律有何差別？有何差別？什么是成分過冷什么是成分過冷?它是怎么產(chǎn)生的它是怎么產(chǎn)生的?怎么判怎么判斷成分過冷？斷成分過冷？成分過冷與晶體生長(zhǎng)形態(tài)有何關(guān)系？成分過冷與晶體生長(zhǎng)形態(tài)有何關(guān)系？第84頁(yè)/共137頁(yè)第八十四頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7一、溶質(zhì)再分配與平衡分配系數(shù)一、溶質(zhì)再分配與平衡分配系數(shù) 在平衡凝固過程中，固液共存溫度區(qū)間是從平衡在平衡凝固過程中，固液共存溫度區(qū)間是從平衡相圖中相圖中液相線液相線溫度開始，至溫度開始，至固相線固相線溫度結(jié)束。隨溫溫度結(jié)束。隨溫度的下降，固相成分沿固相線變

18、化，液相成分沿液相度的下降，固相成分沿固相線變化，液相成分沿液相線變化?？梢姡踢^程中必有傳質(zhì)過程發(fā)生，固液線變化?？梢姡踢^程中必有傳質(zhì)過程發(fā)生，固液界面兩側(cè)都將不斷地發(fā)生溶質(zhì)再分配現(xiàn)象，其原因在界面兩側(cè)都將不斷地發(fā)生溶質(zhì)再分配現(xiàn)象，其原因在于各組元在不同相中化學(xué)位不同。于各組元在不同相中化學(xué)位不同。 單相合金：凝固時(shí)只析出一個(gè)固相的合金。多相合金：凝固同時(shí)析出兩個(gè)以上相的合金。第85頁(yè)/共137頁(yè)第八十五頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 設(shè)界面的溫度為設(shè)界面的溫度為T T*，則固相側(cè)薄層中的溶質(zhì)則固相側(cè)薄層中的溶質(zhì)含量為含量為CS*，液相側(cè)薄層中溶質(zhì)的含量為液相側(cè)薄層

19、中溶質(zhì)的含量為CL*，將將兩者之比定義為平衡分配系數(shù)兩者之比定義為平衡分配系數(shù) K0： K0 = CS*/ CL*對(duì)大多數(shù)單相合金，對(duì)大多數(shù)單相合金，K01 第86頁(yè)/共137頁(yè)第八十六頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 溶質(zhì)在固相中的擴(kuò)散率比在液相中要溶質(zhì)在固相中的擴(kuò)散率比在液相中要小小3個(gè)數(shù)量個(gè)數(shù)量級(jí)級(jí) 。 單位等截面的單元體質(zhì)量為單位等截面的單元體質(zhì)量為1，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)ws與液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)與液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)wL，在任何時(shí)刻都滿足關(guān)系：在任何時(shí)刻都滿足關(guān)系：ws+wL=1 此外，不計(jì)溶質(zhì)在固相中的擴(kuò)散。在液相均勻混合此外，不計(jì)溶質(zhì)在固相中的擴(kuò)散。在液相均勻混合的條件

20、下，可以得到下面的非平衡杠桿定律的條件下，可以得到下面的非平衡杠桿定律(也稱為也稱為Scheil方程方程)： CS*=K0C0(1-ws)k0-1 二、非平衡凝固時(shí)的溶質(zhì)再分配第87頁(yè)/共137頁(yè)第八十七頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 如果液相中溶質(zhì)并不如果液相中溶質(zhì)并不能均勻混合，固液界面前方能均勻混合，固液界面前方將存在一個(gè)溶質(zhì)邊界層將存在一個(gè)溶質(zhì)邊界層(如圖如圖224所示所示)，此時(shí)，此時(shí)Scheil方程仍適用，但需對(duì)平方程仍適用，但需對(duì)平衡分配系數(shù)衡分配系數(shù)K0加以修正，用有加以修正，用有效平衡分配系數(shù)效平衡分配系數(shù)Ke代替代替K0即即可。系數(shù)可。系數(shù)Ke與固液界面

21、推進(jìn)與固液界面推進(jìn)速度、溶質(zhì)邊界層厚度和溶速度、溶質(zhì)邊界層厚度和溶質(zhì)液相擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。質(zhì)液相擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。 一般凝固條件下固液界面液相側(cè)形成溶質(zhì)邊界層 第88頁(yè)/共137頁(yè)第八十八頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 一般凝固條件下，固液界面前沿液相溶質(zhì)一般凝固條件下，固液界面前沿液相溶質(zhì)將形成一個(gè)溶質(zhì)富集的邊界層將形成一個(gè)溶質(zhì)富集的邊界層(對(duì)對(duì)K01的合金的合金)。這種溶質(zhì)富集，導(dǎo)致液相凝固溫度這種溶質(zhì)富集，導(dǎo)致液相凝固溫度T TL發(fā)生改變，發(fā)生改變，與界面前沿實(shí)際溫度與界面前沿實(shí)際溫度T Ta相比，產(chǎn)生差異，此差相比，產(chǎn)生差異，此差異可能引起過冷。異可能引起過冷。把這種由溶質(zhì)

22、再分配導(dǎo)致界面把這種由溶質(zhì)再分配導(dǎo)致界面前沿平衡溫度發(fā)生變化而引起的過冷稱為成分過前沿平衡溫度發(fā)生變化而引起的過冷稱為成分過冷冷。 三、成分過冷第89頁(yè)/共137頁(yè)第八十九頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第90頁(yè)/共137頁(yè)第九十頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7( )( )LmLLTxTm Cx界面處的溫度界面處的溫度Ti為為00/imLTTm Ck界面處的過冷度界面處的過冷度Tk(動(dòng)力學(xué)過冷度動(dòng)力學(xué)過冷度)為為2002/kimLTTTTm CkT固液界面前方液體的過冷度為固液界面前方液體的過冷度為( )( )cLTTxT x固液界面前方液相的溫度為固液界面

23、前方液相的溫度為第91頁(yè)/共137頁(yè)第九十一頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7l成分過冷判據(jù)成分過冷判據(jù)0( )|LLxdTxGdx000(1)RLLLm CkGD k 第92頁(yè)/共137頁(yè)第九十二頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7四、成分過冷與晶體生長(zhǎng)形態(tài)的關(guān)系四、成分過冷與晶體生長(zhǎng)形態(tài)的關(guān)系l 無成分過冷平面生長(zhǎng)l狹窄過冷區(qū) 擾動(dòng) 胞狀界面l較寬成分過冷區(qū)柱狀樹枝晶l寬成分過冷區(qū)自由樹枝晶 第93頁(yè)/共137頁(yè)第九十三頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第94頁(yè)/共137頁(yè)第九十四頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第95頁(yè)/共1

24、37頁(yè)第九十五頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第96頁(yè)/共137頁(yè)第九十六頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第97頁(yè)/共137頁(yè)第九十七頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第98頁(yè)/共137頁(yè)第九十八頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第99頁(yè)/共137頁(yè)第九十九頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7五、偏析l偏析的定義 鑄件凝固后，從微觀晶粒內(nèi)部到宏觀上各部位化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。l偏析的類型 微觀偏析和宏觀偏析l偏析對(duì)鑄件質(zhì)量的影響及其應(yīng)用物理化學(xué)性質(zhì)的不均勻，降低鑄件的使用壽命；熱裂傾向增大；抗腐蝕性能下降。凈化和

25、提純金屬第100頁(yè)/共137頁(yè)第一百頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7l定義 微小范圍內(nèi)的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。l類型胞狀偏析枝晶偏析（晶內(nèi)偏析）晶界偏析微觀偏析第101頁(yè)/共137頁(yè)第一百零一頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-71、胞狀偏析、胞狀偏析成分過冷較小成分過冷較小晶體呈胞狀方式生長(zhǎng)晶體呈胞狀方式生長(zhǎng)溶質(zhì)再分配溶質(zhì)再分配胞壁處的溶質(zhì)將富集或貧乏胞壁處的溶質(zhì)將富集或貧乏均勻化退火可以消除第102頁(yè)/共137頁(yè)第一百零二頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-72、枝晶偏析（晶內(nèi)偏析）、枝晶偏析（晶內(nèi)偏析）具有結(jié)晶溫度范圍，能夠形具有結(jié)晶溫度范圍，能

26、夠形成固溶體的合金成固溶體的合金在不平衡凝固條件下在不平衡凝固條件下析出相的固體成分不同析出相的固體成分不同晶粒內(nèi)部成分不均勻晶粒內(nèi)部成分不均勻溶質(zhì)不能均勻擴(kuò)散溶質(zhì)不能均勻擴(kuò)散第103頁(yè)/共137頁(yè)第一百零三頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7l影響晶內(nèi)偏析程度的因素（1）冷卻速度 冷卻速度越大，溶質(zhì)擴(kuò)散越不均勻，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重；隨著冷卻速度的增加，使晶粒細(xì)化，可以減輕晶內(nèi)偏析。（2）偏析元素在固溶體中的擴(kuò)散能力。（3）合金相圖上液相線與固相線的水平距離擴(kuò)散退火或均勻化退火來消除第104頁(yè)/共137頁(yè)第一百零四頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-73、晶界偏析兩個(gè)晶粒

27、并排生長(zhǎng)，兩個(gè)晶粒并排生長(zhǎng)，晶界平行于生長(zhǎng)方向晶界平行于生長(zhǎng)方向凹槽（晶界與熔液）凹槽（晶界與熔液）表面張力平衡要求表面張力平衡要求晶界溶質(zhì)原子的富集晶界溶質(zhì)原子的富集溶質(zhì)再分配溶質(zhì)再分配第105頁(yè)/共137頁(yè)第一百零五頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7宏觀偏析l定義 較大尺寸范圍內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象l類型正偏析、負(fù)（逆）偏析V形偏析、逆V形偏析帶狀偏析、密度偏析區(qū)域偏析、層狀偏析第106頁(yè)/共137頁(yè)第一百零六頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-71、正偏析溶質(zhì)再分配溶質(zhì)再分配溶質(zhì)的濃度逐漸增加溶質(zhì)的濃度逐漸增加K01后結(jié)晶的固相的溶質(zhì)濃度高后結(jié)晶的固相的溶質(zhì)濃

28、度高于先結(jié)晶的部分于先結(jié)晶的部分凝固界面的液相中將有一部凝固界面的液相中將有一部分溶質(zhì)被排出分溶質(zhì)被排出第107頁(yè)/共137頁(yè)第一百零七頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-72、逆偏析、逆偏析第108頁(yè)/共137頁(yè)第一百零八頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7一定結(jié)晶溫度范圍的一定結(jié)晶溫度范圍的固溶體型合金固溶體型合金枝晶間富集著低熔點(diǎn)溶質(zhì)枝晶間富集著低熔點(diǎn)溶質(zhì)緩慢凝固緩慢凝固低熔點(diǎn)溶質(zhì)將沿著樹枝晶向外移動(dòng)低熔點(diǎn)溶質(zhì)將沿著樹枝晶向外移動(dòng)形成相互交錯(cuò)的粗大樹枝晶形成相互交錯(cuò)的粗大樹枝晶鑄件產(chǎn)生體收縮鑄件產(chǎn)生體收縮第109頁(yè)/共137頁(yè)第一百零九頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn)

29、 十分。2006-9-7l正偏析和逆偏析的影響因素結(jié)晶溫度范圍樹枝狀晶的尺寸冷卻條件合金結(jié)晶過程液體金屬所受的壓力第110頁(yè)/共137頁(yè)第一百一十頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第六節(jié)第六節(jié) 共晶合金的凝固共晶合金的凝固 l共晶合金的類型 規(guī)則共晶和非規(guī)則共晶金屬金屬相或金屬金屬間化合物相，即非小平面非小平面組成。形態(tài)有規(guī)則的棒狀或?qū)悠瑺睢?/金屬非金屬（非小平面小平面）相或非金屬非金屬（小平面小平面）相組成第111頁(yè)/共137頁(yè)第一百一十一頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 和純金屬類似，在合金液相中形核也和純金屬類似，在合金液相中形核也需要一定的過冷度。在

30、共晶溫度需要一定的過冷度。在共晶溫度T TE E以下，以下，兩相中兩相中 某一相先形核，而另一相則依附于先某一相先形核，而另一相則依附于先形核相形核，繼而形成兩相競(jìng)相析出和長(zhǎng)形核相形核，繼而形成兩相競(jìng)相析出和長(zhǎng)大的過程。大的過程。 共晶結(jié)晶的方式可分共晶結(jié)晶的方式可分 為為共生生長(zhǎng)和離異生共生生長(zhǎng)和離異生長(zhǎng)長(zhǎng)兩種。兩種。 第112頁(yè)/共137頁(yè)第一百一十二頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7l偽共晶組織偽共晶組織非共晶成分在近平衡凝固條件下獲得的完全共晶非共晶成分在近平衡凝固條件下獲得的完全共晶組織組織l共晶共生區(qū)共晶共生區(qū)非平衡凝固條件下，獲得非平衡凝固條件下，獲得偽共晶組織的

31、特定的成分偽共晶組織的特定的成分和溫度范圍和溫度范圍第113頁(yè)/共137頁(yè)第一百一十三頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7l共晶共生區(qū)的類型共晶共生區(qū)的類型對(duì)稱型和非對(duì)稱型對(duì)稱型和非對(duì)稱型第114頁(yè)/共137頁(yè)第一百一十四頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7共生生長(zhǎng)共生生長(zhǎng)：結(jié)晶時(shí)后析出相依附于領(lǐng)先析出相表：結(jié)晶時(shí)后析出相依附于領(lǐng)先析出相表面析出，形成具有兩相面析出，形成具有兩相 共同生長(zhǎng)界面的雙相核心，共同生長(zhǎng)界面的雙相核心，然后依靠溶質(zhì)原子在界面前沿兩相間的橫向擴(kuò)散，互然后依靠溶質(zhì)原子在界面前沿兩相間的橫向擴(kuò)散，互相不斷地為相鄰相不斷地為相鄰 的另一相提供生長(zhǎng)所

32、需的組元，使的另一相提供生長(zhǎng)所需的組元，使兩相協(xié)同生長(zhǎng)。這種兩相彼此合作生兩相協(xié)同生長(zhǎng)。這種兩相彼此合作生 長(zhǎng)的方式，就長(zhǎng)的方式，就稱為共生生長(zhǎng)。稱為共生生長(zhǎng)。第115頁(yè)/共137頁(yè)第一百一十五頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7l對(duì)稱型對(duì)稱型組成共晶的兩個(gè)組元熔點(diǎn)相近，兩條液相線形狀組成共晶的兩個(gè)組元熔點(diǎn)相近，兩條液相線形狀彼此對(duì)稱，共晶兩相性質(zhì)相近，兩相在共晶成分彼此對(duì)稱，共晶兩相性質(zhì)相近，兩相在共晶成分附近析出能力相當(dāng)。附近析出能力相當(dāng)。易于形成彼此依附的雙相核心易于形成彼此依附的雙相核心易于保持兩相等速的協(xié)同生長(zhǎng)易于保持兩相等速的協(xié)同生長(zhǎng)兩相在共晶成分附近的擴(kuò)散能力接近兩

33、相在共晶成分附近的擴(kuò)散能力接近金屬金屬金屬（非小平面金屬（非小平面非非小平面）共晶合金小平面）共晶合金第116頁(yè)/共137頁(yè)第一百一十六頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7兩相兩相共生生長(zhǎng)共生生長(zhǎng)模型模型共晶兩相按共同合作的方式同時(shí)長(zhǎng)大的生長(zhǎng)方式共晶兩相按共同合作的方式同時(shí)長(zhǎng)大的生長(zhǎng)方式第117頁(yè)/共137頁(yè)第一百一十七頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7離異生長(zhǎng)離異生長(zhǎng)：有的共晶合金兩相生長(zhǎng)時(shí)，并沒有：有的共晶合金兩相生長(zhǎng)時(shí)，并沒有共同的生長(zhǎng)界面，而是兩相分離，并以不同的生共同的生長(zhǎng)界面，而是兩相分離，并以不同的生長(zhǎng)速率進(jìn)長(zhǎng)速率進(jìn) 行結(jié)晶，這就是所謂的離異生長(zhǎng)方式

34、。行結(jié)晶，這就是所謂的離異生長(zhǎng)方式。 其所得的組織稱為離異共晶體。離異共晶體又可其所得的組織稱為離異共晶體。離異共晶體又可分為分為晶晶 間偏析型間偏析型和和領(lǐng)先相呈球團(tuán)型領(lǐng)先相呈球團(tuán)型兩類。兩類。 第118頁(yè)/共137頁(yè)第一百一十八頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 領(lǐng)先相往往屬熔點(diǎn)高的非金領(lǐng)先相往往屬熔點(diǎn)高的非金 屬，且生長(zhǎng)界面為各向異屬，且生長(zhǎng)界面為各向異性，此時(shí)領(lǐng)先相形成球團(tuán)形態(tài)，金屬相性，此時(shí)領(lǐng)先相形成球團(tuán)形態(tài)，金屬相 只能圍繞其表面只能圍繞其表面生長(zhǎng)，形成生長(zhǎng)，形成“暈圈暈圈” 。 “暈圈暈圈”的成因可能與共晶兩相的形核能力及生長(zhǎng)速的成因可能與共晶兩相的形核能力及生長(zhǎng)

35、速率差異率差異 有關(guān)。有關(guān)?！皶炄炄Α笨煞譃橥暾目煞譃橥暾?封閉式封閉式)和不完整和不完整的兩種。的兩種。 第119頁(yè)/共137頁(yè)第一百一十九頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第120頁(yè)/共137頁(yè)第一百二十頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第121頁(yè)/共137頁(yè)第一百二十一頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第七節(jié)第七節(jié) 金屬及合金的凝固方式金屬及合金的凝固方式 一、凝固區(qū)特性與凝固件質(zhì)量的關(guān)系一、凝固區(qū)特性與凝固件質(zhì)量的關(guān)系 三個(gè)典型的區(qū)域：三個(gè)典型的區(qū)域：液相區(qū)、固液兩相區(qū)和固相區(qū)液相區(qū)、固液兩相區(qū)和固相區(qū) 第122頁(yè)/共137頁(yè)第一百

36、二十二頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7固液兩相區(qū)的性質(zhì)與凝固件最終的健全性關(guān)系最為密切。固液兩相區(qū)的 寬度對(duì)凝固補(bǔ)縮是否順利，有很重要影響。固液兩相區(qū)較窄時(shí)呈現(xiàn)逐層凝固特征；凡液相補(bǔ)縮困難的凝固，凝 固件致密性就差，并容易出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。第123頁(yè)/共137頁(yè)第一百二十三頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7凝固動(dòng)態(tài)曲線：凝凝固動(dòng)態(tài)曲線：凝 固件斷面液相線固件斷面液相線固相線與凝固時(shí)固相線與凝固時(shí)間的關(guān)系。間的關(guān)系。二、凝固動(dòng)態(tài)曲線與凝固方式層狀凝固層狀凝固體積凝固體積凝固（糊狀凝固）（糊狀凝固）中間狀凝固中間狀凝固第124頁(yè)/共137頁(yè)第一百二十四頁(yè)，編輯于

37、星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 凝固方式一般由合金固液相線凝固方式一般由合金固液相線溫度間隔溫度間隔和凝固件斷和凝固件斷面面溫度梯度溫度梯度兩個(gè)因素決定。凝固溫度間兩個(gè)因素決定。凝固溫度間 隔大的合金，隔大的合金，傾向于糊狀凝固；反之，傾向于逐層凝固。溫度梯傾向于糊狀凝固；反之，傾向于逐層凝固。溫度梯度大時(shí)，寬固液相溫度間隔的合金趨于中間度大時(shí)，寬固液相溫度間隔的合金趨于中間 凝固或凝固或逐層凝固。逐層凝固。三、凝固方式的影響因素第125頁(yè)/共137頁(yè)第一百二十五頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7砂型:糊狀凝固 金屬型:逐層凝固 離界面距離/mm離界面距離/mm始點(diǎn)終

38、點(diǎn)始點(diǎn)終點(diǎn)時(shí)間/mm時(shí)間/mm圖圖2.40 2.40 工業(yè)純鋁凝固件斷面的凝固動(dòng)態(tài)曲線工業(yè)純鋁凝固件斷面的凝固動(dòng)態(tài)曲線 第126頁(yè)/共137頁(yè)第一百二十六頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第127頁(yè)/共137頁(yè)第一百二十七頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7鑄型的冷卻能力：強(qiáng)鑄型的冷卻能力：強(qiáng)逐層凝固逐層凝固 合金凝固的溫度范圍：窄合金凝固的溫度范圍：窄逐層凝固逐層凝固合金熱導(dǎo)率：小合金熱導(dǎo)率：小逐層凝固逐層凝固合金本身的凝固溫度合金本身的凝固溫度第128頁(yè)/共137頁(yè)第一百二十八頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7第八節(jié)第八節(jié) 凝固成形的應(yīng)用凝固成

39、形的應(yīng)用一、收縮一、收縮 1、 液態(tài)收縮。澆注溫度液態(tài)收縮。澆注溫度凝固開始的溫度所發(fā)生的體凝固開始的溫度所發(fā)生的體積收縮。液態(tài)收縮主要表現(xiàn)為液面的降低。積收縮。液態(tài)收縮主要表現(xiàn)為液面的降低。 2、凝固收縮。凝固階段的收縮。取決于狀態(tài)改、凝固收縮。凝固階段的收縮。取決于狀態(tài)改 變和凝固變和凝固溫度范圍的大小。合金凝固溫度范圍增加，凝固收縮也溫度范圍的大小。合金凝固溫度范圍增加，凝固收縮也相應(yīng)增大。相應(yīng)增大。 3、固態(tài)收縮。固態(tài)合金因溫度降低發(fā)生的收縮。固態(tài)收縮。固態(tài)合金因溫度降低發(fā)生的收縮。固態(tài)收縮對(duì)鑄固態(tài)收縮對(duì)鑄 件的尺寸精度影響相當(dāng)大。件的尺寸精度影響相當(dāng)大。 第129頁(yè)/共137頁(yè)第一百二十九頁(yè)，編輯于星期日：二十一點(diǎn) 十分。2006-9-7 液態(tài)收縮和凝固收縮液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的主要是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的主要原因，而固態(tài)收縮則是鑄件產(chǎn)生鑄造應(yīng)原因，而固態(tài)收縮則是鑄件產(chǎn)生鑄造應(yīng) 力、變形、裂力、變形、裂紋的主要原因。因此，鑄件的收縮控制對(duì)鑄件的質(zhì)量影紋