第七章單相固溶體合金及鑄錠的凝固

第七章單相固溶體合金及鑄錠的凝固第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四合金凝固時溶質原子要發(fā)生重新分布，這將對晶體的生長形態(tài)產生影響，并形成宏觀和微觀偏析。§7.1固溶體合金凝固時溶質的分布圖7-1不同KO的相圖一.平衡分配系數(shù)平衡分配系數(shù)：平衡凝固時（假設）界面處固相含溶質量與液相含溶質量的比值。即K0＝（液相線與固相線近似為直線時K0為常數(shù)）KO＜1KO＞1第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四二.正常凝固時液－固相線中溶液的分布研究水平園棒的定向凝固，對于KO<1的相圖，成分為C0,假設固相中無擴散，液相中可通過擴散、對流和攪拌使溶液混合。（一）液相完全混合時固相、液相的溶質分布:1.完全混合：凝固速度很慢（近平衡），液相中有擴散、對流和攪拌，整個剩余液體中溶質濃度均勻液相中溶液的混合分為三種：完全混合、完全無混合、部分混合。第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四溫度固相成分液相成分T0koC0C0(直線)T1koC1C1（直線）T2koC2C2（直線）T3k0C0（直線）T℃TOT1T2T5k0c0c0

k0c1c1k0C2c2

C0C0AB%C1C2C3C4K0C1B%K0<1K0>10

x第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四由此可知：1.對于ko<1相圖，固相中溶質富集于右端;對于ko>1

相圖,固相中溶質富集于左端。2.定向凝固液相完全混合時造成固相溶質分布不均勻從而產生成分偏析（宏觀）：

(1)

k0<1相圖，K0↓偏析↑(2)k0>1相圖，K0

↑偏析↑3.利用定向凝固產生偏析的原理，可以提純材料：

(1)k0<1相圖，K0↓提純效果↑(2)k0>1相圖，K0

↑提純效果↑由計算可知，固相及液相中溶質的分布曲線分別為：CL=C0,CS=K0C0X-已凝固量；l-鑄錠至型腔距離第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四（二）液相完全無混合時固、液相的溶質分布:完全無混合條件：冷卻與凝固速度較快（非平衡）；液相中溶質僅靠擴散混合，無對流及攪拌（邊界層有濃度梯度，以C0成分合金凝固為例）；1.凝固初期（Ⅰ階段）:固相的溶質濃度必為k0C0，界面前沿的液相濃度必然高于C0，離界面較遠的地方仍然保持原始成分Co，在界面前沿就出現(xiàn)了濃度梯度，如（b）圖及(c)圖的第Ⅰ階段。T℃TOT1T2T5k0c0c0

k0c1c1k0C2c2

C0C0AB%(b)第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四（2）凝固的穩(wěn)定階段（Ⅱ階段）：

當界面成分是C0，前沿的液相成分為C0/k時,如圖(b)的T5溫度和圖(c)的第Ⅱ階段直至Ⅱ階段結束。此階段滿足：固相結晶排向液相的溶質量＞溶質原子離開界面排向液相的溶質量。此階段滿足：固相結晶排向液相的溶質量＝溶質原子離開界面排向液相的溶質量。經(jīng)計算可知界面處液固相的溶質分布為：CS=K0C0(1+)CL=C0(1+)

R—界面遷移速度，D-溶質擴散系數(shù)，x—已凝固固相量的長度第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四凝固將要結束時，固液相溶質分布如右圖。由此可知：液相完全無混合時鑄錠成分較完全混合時均勻。液相完全無混合固、液相溶質分布3.液相部分混合時時固相、液相的溶質分布（實際鑄件凝固）：液相部分混合條件：①冷卻與凝固速度稍快；②無攪拌，液相主要通過

對流、擴散實現(xiàn)溶質混合；③S/L界面有邊界層，邊界層有濃度堆積；第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四液相溶質部分混合時，固相、液相溶質的分布（1）初期階段：①由于液相原子擴散速度較小，邊界層成分(CL)i與大體積液相成分(CL)B相差較大，且：(CL)B>C0②固相結晶排出溶質部分進入大體積液相，使邊界層中的濃度梯度不斷增大如圖(d)的第Ⅰ階段。初期階段示意圖第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四（2）穩(wěn)定態(tài)階段：①固相排出溶質量=溶質由邊界層擴散出的溶質量;②邊界層中濃度梯度保持不變;③S/L界面液相濃度(CL)i及大體積液相濃度(CL)B不斷增加④(CL)i/(CL)B=K1(常數(shù))一直到凝固終了。經(jīng)計算界面處：有效分配系數(shù)Ke：∵(CL)i/(CL)B=K1,(CS)i/(CL)i=K0

Ke=K0×K1∴(CL)B大體積液相平均濃度第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四有效分配系數(shù)Ke：

在“部分混合”時，界面處固相濃度(CS)i與大體積液相濃度平均濃度(CL)B的比值為“有效分配系數(shù)”.

Ke---K0的關系：經(jīng)計算求得：R—界面遷移速度D---溶質擴散系數(shù)δ---邊界層厚度第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四由可知：(1)當R很小時（凝固速度無限緩慢充分對流擴散）屬于

(2)當R很大時（無對流及擴散僅靠原子擴散混合）完全混合，≈0,δ≈0，Ke≈K0；≈∞，Ke≈1這屬于完全無混合狀態(tài)；完全混合，≈0,δ≈0，Ke≈K0；(3)R介于二者之間時0＜δ＜∞，K0＜Ke＜l，屬于部分混合狀態(tài)。第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四綜上所述固溶體三種混合情況液、固相溶質分布如下：（K0<1的相圖，穩(wěn)定狀態(tài)時）(1)液相完全混合：(2)液相完全無混合：(3)液相部分混合：第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四液相四種混合狀態(tài)的固相中溶質分布定向凝固后固相中溶質的分布曲線(e)直線為平衡凝固;(b)曲線為完全混合-偏析嚴重;(c)曲線為完全無混合-偏析較輕;(d)曲線為部分混合-界于二者之間.

定向凝固結論：①液相混合越充分,鑄錠凝固后溶質分布越不均勻，區(qū)域偏析越嚴重。②利用定向凝固進行提純材料，液相混合越充分,提純效果越好。

第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四

§7.2固溶體合金的成分過冷一.成份過冷的產生①設K0<1的相圖,液相完全無混合，合金成分為C0,進行完全無混合的單向凝固如圖（a）;②液相中實際的溫度分布圖（b）為dT/dx>0,只受壁模和已凝固的固相單向散熱所控制;（b）實際散熱方向第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四③凝固過程中的溶質分布如圖(c),某溫度液相成分為CL其含B%量高于合金成分C0液相完全無混合,邊界層溶質聚集④比較(a)和(c)可知,合金溶液的凝固溫度隨成份而變化,液相含溶質量越高,凝固溫度越低,因而前沿液相中的理論結晶溫度分布曲線如圖（d）；d與b圖畫在一起，構成e圖，形成前沿液相的成分過冷區(qū)，是由實際結晶溫度分布和前沿液相理論結晶溫度共同決定的。c（d）（e）第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四成份過冷的概念:在合金凝固時（液相部分或完全無混合）由于邊界層液相溶質分布發(fā)生變化，從而引起前沿液相凝固溫度變化，與實際溫度分布兩個因素共同決定的過冷.二、產生成分過冷的條件（臨界條件）經(jīng)計算,產生成分過冷的條件是：GR是G與理論結晶溫度相切時的溫度梯度，因此產生成分過冷的臨界條件是：T理論G-溫度梯度；R-結晶速度；m-相圖液相線的斜率；D-液相溶質擴散系數(shù)；K0-平衡分配系數(shù)（推導過程從簡）第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四由此式可知：G<GR有成分過冷；G≥GR時無成分過冷。T理論三、影響成分過冷的因素（一）合金本身：（GR，成份過冷增大）液相線越陡,合金C0↑,液體中D↓,K0＜l時K0↓;或K0＞1時K0↑,都會促使成分過冷傾向增大。（二)外界條件：溫度梯度越小(G↓),R↑,則使成分過冷傾向增大。第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四四、成份過冷對固溶體合金長大方式及形態(tài)的影響：

C0、R一定時GL對成分過冷的影響成份過冷區(qū)的形成給正溫度梯度下凝固的單相合金鑄錠創(chuàng)造了類似在負溫度梯度下凝固的條件，必然影響凝固過程中晶體的長大及其形態(tài)，固溶體合金的結晶其界面為“粗糙界面”：①當G≥G1時，無成分過冷，固溶體凝固與純金屬相同，S/L界面垂直長大—平面狀;②當G<<G1時,成份過冷較大，晶體呈樹枝狀長大---樹枝晶（如G＝G3）;第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四③當G稍<G1時(G2)，有較小的成分過冷，界面以胞狀長大----胞狀晶.胞狀晶形成過程應該指出：固溶體合金在實際生產中，組織形態(tài)主要受溫度梯度和結晶速度所控制，都具有成分過冷，因此經(jīng)常長成樹枝晶體或胞狀樹枝晶體。第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四《材料科學基礎》作業(yè)（三）一.填空1.固溶體合金，在鑄造條件下，容易產生____偏析，用____方法處理可以消除。2.AL－CuAL2共晶屬于__型共晶，AL-Si共晶屬于__型共晶，Pb－Sn共晶屬于__型共晶。3.固溶體合金凝固時有效分配系數(shù)ke的定義是__。當凝固速率無限緩慢時，ke趨于__；當凝固速率很大時，則ke趨于__。4.K0<1的固溶體合金非平衡凝固的過程中，K0越小，成分偏析越____,提純效果越_____；而K0>1的固溶體合金非平衡凝固的過程中，K0越大，成分偏析越____,提純效果越_____。5.固溶體合金_____凝固時成分最均勻，液相完全混合時固溶體成分偏析（宏觀偏析）最___；液相完全無混合時固溶體成分偏析最____，液相部分混合時固溶體成分偏析_________。第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.已知A-B二元相圖，液、固相線近似為直線且Ko>1合金成分為Co，固相無擴散，液相完全無混合凝固。試畫出：1）A-B二元合金相圖及液相實際溫度分布線。2）邊界層液相溶質分布曲線3）由液相溶質分布而引起的液相溫度分布曲線并對照相圖加以說明（理論溫度分布曲線）。4）畫出由液相實際溫度與理論溫度分布曲線組成的成分過冷區(qū)并定義何謂成分過冷。第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四4．試說明在正溫度梯度下為什么固溶體合金凝固時一定呈樹枝狀方式長大，而純金屬卻得不到樹枝狀晶體？3.固溶體合金液相完全無混合凝固時，產生成分過冷的臨界條件為：1)說明能否產生成分過冷的條件。2)如果外界條件不變，圖中C0和C1兩合金相比哪個合金產生成分過冷的傾向大？為什么？3)成分過冷對固溶體生成形態(tài)有何影響？對于一定成分的合金CO，如何控制外界條件來避免出現(xiàn)粗大的樹枝狀組織？m為液相線斜率，G為液相實際溫度梯度R為液－固界面移動速度且KO<1第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四

§7.2鑄造缺陷一.偏析偏析－包括宏觀偏析和微觀偏析（一）微觀偏析（顯微偏析）①晶內偏析(枝晶偏析)非平衡結晶中，枝晶與枝晶間先凝固與后凝固的固溶體中含溶質的量不同，從而形成晶粒內部的化學成分不均勻的現(xiàn)象。第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四枝晶偏析可用擴散退火消除②胞狀偏析：胞壁即及胞內化學成分不均勻的現(xiàn)象成分過冷較小時，合金形成胞狀組織，在胞壁與胞內存在成分偏析，K0<1時胞壁溶質富集，K0>1時胞內溶質富集。第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四胞狀偏析示意圖晶界偏析示意圖③晶界偏析a)圖兩個晶粒并排生長(晶界平行于生長方向)，由于表面張力平衡條件的要求在晶界與熔液交界的地方就要出現(xiàn)一個凹槽，此處有利于溶質原子的富集凝固后形成了晶界偏析。b)圖.兩個晶粒彼此面對面生長，結果晶界彼此相遇，在它們之間富集大量溶質，從而造成晶界偏析。第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四（二）宏觀偏析（1）正常偏析（正偏析，正常凝固）：對于合金（K0<1）鑄錠凝固后，外層固溶體溶質含量低于內層溶質含量為正常偏析。液相混合越充分，凝固后鑄件內外溶質差別越大，成分偏析越嚴重，應減弱液相的混合，減小正常偏析。（2）反偏析（負偏析，反常凝固）：反偏析示意圖對于合金（K0<1）鑄錠凝固后，外層固溶體溶質含量比內層溶質含量高為反偏析。第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四①原來鑄件中心地區(qū)的富集溶質元素的熔液，由于鑄件凝固時發(fā)生收縮而在樹枝晶之間產生空隙.形成原因：②加上溫度的降低，使熔液中的氣體析出而增大壓強，把鑄件中心溶質濃度較高的液體沿著柱狀晶之間的‘渠道”吸至(壓至)鑄件的外層，形成反偏析。第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四3.比重偏析:比重偏析-由組成相與熔液之間比重的差別較大，凝固時先共晶相的上浮或下沉從而導致鑄件中組成相上下分布及成分不均勻，所引起的一種宏觀偏折。

(1)增大鑄件的冷速，使先共晶來不及上浮或下沉。(2)加入第三種合金元素，形成熔點較高的、比重與濃相接近的樹枝狀化合物使之首先結晶阻止偏析相的浮沉。預防措施：第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四二、夾雜與氣孔因氣體析出而形成的空洞，氣孔分為析出型和反應型。析出型氣孔：溶于液體中的氣體在冷卻過程中析出，而沒有逸出液體之外時形成的。反應型氣孔：金屬液體冷卻過程中發(fā)生某種反應所生成的氣體保留在金屬中所形成的孔洞。2.氣孔:1“夾雜”“夾雜”是指混雜在金屬中，與基體金屬成分、結構都不同的顆粒夾雜物分為兩大類。

第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四縮孔：由于金屬凝固之后沒有溶液的繼續(xù)補充，從而出現(xiàn)收縮空洞。三.縮孔：縮孔是一種鑄造缺陷，并且難于避免①縮管：溶液由外向內，自上而下冷卻時，液面不斷下降在鑄錠上部形成倒圓錐形的縮管（a）圖。1.集中縮孔（b）縮孔(a)縮管②縮孔（縮穴）：鑄錠上部已經(jīng)凝固，下部處于液體狀態(tài)，凝固時無液體及時補充在中下部形成的縮孔(b)圖。集中縮孔要切除掉，應減小集中縮孔的深度。第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四應采取的措施：鑄型采用上薄下厚，上大下小加保溫桶等措施。固體的枝狀長大，枝晶間液體被固相封閉與母相隔離形成的收縮空洞。①一般疏松：被封閉的液體凝固后形成如（c）圖。②中心疏松：由于最后凝固的液體氣體的析出形成的空洞(d)圖。2、分散縮孔：（疏松）(c)一般疏松(d)中心疏松第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四枝晶越發(fā)達，疏松越嚴重。液固相比容差越大，疏松越嚴重。真空熔煉，可使疏松減輕。措施及影響因素：1.單相柱晶、片層狀及桿狀共晶的縱向和橫向性能差別很大，沿縱向具有較為優(yōu)良的力學性能。2.在特殊的冷卻裝置上是逐漸全部由向單一方向延伸的柱晶、片層狀或桿狀共晶所組成，使其延伸方向與鑄件工作應力最大的方向一致，可使這些鑄件具有良好的使用性.四、控制鑄造金屬組織的特殊措施（一)定向凝固第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四當純金屬液體以1010K／S以上、合金液體以105~106K／S以上的冷卻速度冷到室溫時,將不發(fā)生結晶,液體凝固后保持其原來的結構，這種狀態(tài)叫做非晶態(tài)或玻璃態(tài)。非晶態(tài)金屬具有較高的強度和一定的韌性,它的電阻率高，聲波衰減率低，耐蝕性高。共晶成分的合金可用較低的冷卻速度獲得非晶態(tài)。（二）制備非晶態(tài)合金（三）制取微枝晶合金枝晶間距越小，可使微縮孔細化，偏析成都減小，從而提高鑄件的力學性能，枝卻微枝晶的基本措施：激冷，且凝固速度越快，枝晶間距越小。第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四1.成份過冷的產生①設K0＞1的A-B二元相圖,液相完全無混合凝固，合金成分為C0,進行定向

凝固如圖（a）;②液相中實際的溫度分布圖（b）為dT/dx>0,只受壁模和已