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1、金属凝固原理,主讲人：边丽萍,太原理工大学材料科学与工程学院,2012.2.20,第四章 单相及多相合金的结晶,凝固过程中的质量传输单相合金的凝固成分过冷的产生界面前方过冷状态对凝固过程的影响多相合金的凝固,4-1 凝固过程中的质量传输,4.1.1 溶质分配方程 传热、传质、流动影响凝固过程；扩散过程便于理解溶质再分配1. 扩散第一定律 溶质在扩散场中某处的扩散通量J J:单位时间t内通过单位面积A的溶质质量m，即J=dm/(Adt)与溶质在该处的浓度梯度（dCL/dx）成正比， Jx=-DL（dCL/dx） 注：负号（-）表示溶质传输方向与浓度梯度方向相反。,基本概念1）稳态扩散 扩散系统中
2、，任一体积元在任一时刻、流入的物质量与流出的物质量相等，即任一点的浓度不随时间变化。（C/ t=0） 2）非稳态扩散 任一点的浓度随时间而变化（C/ t0）,2. 扩散第二定律对于一维扩散的浓度分布，x=0 ，扩散源位置；C=Cmax；x，C=C0，平均浓度当xx+dx；扩散通量JxJx+dx，则（1） Jx-Jx+dx=（dmx-dmx+dx）/(Adt) -dJ/dx= （dmx-dmx+dx）/(Adx)dt -dJ/dx =dC/dt（2） Jx=-DL（dCL/dx） 由（1）（2）得 dCL/dt=DLd(dCL/dx)/dx=DLd2CL/dx2,“稳定态定向凝固”溶质分配特征方
3、程式 条件：1）扩散源稳定（相变时溶质的析出速度与扩 散速度处于动平衡）；2）扩散源的运动速度R与溶质的析出速度也 为动态平衡。 DLd2CL/dx2R（dCL/dx）=0,4.1.2 凝固传质过程的有关物理量1. 扩散系数D表示物质在介质中的传输能力。介质阻力 D传输能力（1）充分扩散：介质阻力0，D （凝固时液体激烈搅拌）（2）有限扩散：介质阻力0，D=Di （一般溶质扩散）2. 溶质平衡分配系数k0k0=Cs*/CL* 1）k01：溶质元素从L越过S/L界面扩散S，使得 CSCL；,3. 液相线斜率mL mLdT/dC=(TL-Tm)/CL TL=Tm+ mL CL4. 液相温度梯度GL
4、 GL=dT/dx GLTL GL0，正温度梯度；Ti0，则须：GLx 0，即GL T非* （熔体中非均质生核最有效衬底大量生核所需的过冷）时，同时产生： 1）柱状枝晶生长； 2）界面前方熔体也发生新的生核过程，且导致晶体在过冷熔体（GL0）自由生长，形成方向各异的等轴枝晶。 等轴枝晶的存在阻止了柱状晶区的单向延伸，此后结晶便是等轴晶区液体内部推进的过程。,合金固溶体凝固时的晶体生长形态,a) 不同的成分过冷情况,b) 无成分过冷 平面晶,C) 窄成分过冷区间 胞状晶,d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶,e) 宽成分过冷 内部等轴晶,就合金的宏观结晶状态而言，外生生长（平面生长胞状生长柱状枝晶
5、生长）内生生长（等轴枝晶）转变；外内转变决定因素：成分过冷，外来质点非均质生核能力成分过冷区利于内生生长和等轴枝晶形成。枝晶生长方向：枝晶主干、各次分枝的生长方向/特定晶向。枝晶间距：相邻同次分枝之间的垂直距离。,4-5 共晶合金的结晶,一、共晶组织的特点和共晶合金的分类 1. 特点：宏观形态：共晶体的形状与分布的形成原因同单相合金晶体类似，从平面生长胞状生长枝晶生长；从柱状晶（共晶群体eutectic colony）等轴晶(共晶团eutectic cell)微观形态：共晶体内两相析出物的形状与分布。其与共晶相在结晶过程中的相互作用、结晶条件有关。固液界面结构在很大程度上决定着其微观形态的基本特征。,2. 共晶合金分类,根据界面结构不同，分为：（1）非小面非小面共晶合金： 两相均为非小面生长的粗糙界面； 金属金属，金属金属间化合物； eg. Pb-Sn ，Ag-Cu层片状共晶； Al-Al3Ni棒状共晶 （2）非小面小面共晶合金：一相为非 小面生长的粗糙界面，另一相为小面生长的平整界面； 金属非金属，金属亚金属。 Eg. Fe-C , Al-Si 共晶；（3）小面小面： 非金属非金属; 琥珀睛-茨醇共晶 。,
