凝固过程中的传热.ppt

*当时，故称为特性距离。此时，（CL-C0）值降到在同样的原始成分C0时，R越大，DL越小，K0越小，则在液-固界面前沿溶质富集越严重，曲线越陡峭。如果凝固速度R发生变化：液、固相的成分均会发生波动。R2＞R1及R2＜R1的情况：旧稳定状态→过渡区（高度、距离、时间长短）→新的稳定状态（陡峭情况、面积）第21页,共41页，2024年2月25日，星期天*富集区中溶质的最高含量随凝固速度的增加而上升。第22页,共41页，2024年2月25日，星期天*最初过渡区内，固相成分从k0C0增加到C0，固一液界面上的液相成分从C0增至C0/k0,而达到稳定态，与此同时，平界面的温度达到固相线温度Ts(C0)。在稳定态范围内，固相成分始终是C0不变，固一液界面上的液相成分同样也是保持C0/k0不变；在固一液界面前沿的液相内，溶质分布符合指数衰减规律，当液相内溶质富集层的厚度等于剩余液相区的厚度时，溶质扩散受到末端边界的阻碍，从而使固一液界面处的Cs*与C*L同时升高，最终过渡区的溶质分布可以近似地用Scheil公式来表示，因为它的范围很窄，整个液相区内的溶质可视为是均匀的。由于质量守恒，对于k0＜1的合金来,最初过渡区溶质的贫乏总量等于最终过渡区溶质的过剩总量。当然是希望扩大稳定区而缩小最初及最终这两个过渡区，以便获得更大范围的成分均一的铸件(锭)。第23页,共41页，2024年2月25日，星期天*凝固初期非稳态与末端过渡区的溶质分布：很多研究者力图建立起最初过渡区内的溶质分布数学模型，但其推导过程很繁琐。凝固初期非稳态的溶质分布：Pohl于1954年以菲克第二定律一维公式为基础对凝固过程初期非稳态过程的溶质分布进行了求解。假设（1）液相无对流只有扩散；（2）k0为常数；（3）忽略界面扰动；（4）忽略固相扩散；（5）试样横截面尺寸恒定；（6）无元素气化。K值很小时：析出固相的溶质分布：第24页,共41页，2024年2月25日，星期天*张承甫教授找出了一个简练的推导过程，他提出：进入稳态前固相中溶质的贫乏总量与刚刚进入稳态时液相中溶质的富集量相等。由此，推导出最初过度区内溶质的分布表达式为：由此可以粗略地估算出最初过渡区的长度为：例如，没k0=0.1,v=10-3mm/s,DL=5×10-3mm/s，则达到稳定态具有的98％的溶质浓度(指质量分数)所需要的过渡区近似距离为100mm。由此看来，最初过渡区的长度随长大速度的增大而减小；与此同时，合金的k0值愈小，该过渡区的距离愈长。第25页,共41页，2024年2月25日，星期天*末端过渡区的溶质分布：最后过渡区，剩下的液体不多时，凝固接近结束，界面上富集的溶质全部集中在残余液体中，浓急剧升高所以结晶后固相中的浓度升高，而造成后凝固的部分溶质元素的偏析。介万奇在Pohl的基础上提出了反扩散补偿法计算平界面定向凝固试样中的溶质质量分数的分布方程.第26页,共41页，2024年2月25日，星期天*（4）液相中部分混合（对流）的溶质再分配由于各种因素的作用，对流总是存在的，从而造成溶质的部分混合。此时，固-液界面前的液体中有一扩散边界层，厚度为δN，而边界层以外的成分，若熔体的容积较大，可视为仍保持不变C0，在达到稳定时：边界条件：x,=0时，CL=CL*，x,=δN时，CL=C0。液相充分大时边界层宽度δN内任意一点x?液相成分.即边界层以内任一点的成分为：第27页,共41页，2024年2月25日，星期天*若熔体的体积有限，则液相远处的成分不断升高，大于C0，故以代之，所以有：在稳定态凝固时排出的溶质量等于扩散走的溶质量，所以：部分混合时的稳态时CL*值为：或：可见，当C0，K0，DL一定的情况下，液相容积很大时，达到稳定态时的固相成分CS*仅取决于R、δN。1）R越大，CS*越接近于C0，R越小，CS*越低并远离C0，2）δN越小，CS*越小，即，搅拌越强，对流越强时，固相成分越低。第28页,共41页，2024年2月25日，星期天*4.枝晶凝固过程中的溶质传输枝晶凝固过程中除液相流动引起长程溶质再分配外，溶质的传输主要是在枝晶本身和枝晶间的液相内进行的。枝晶凝固过程传质研究的主要目标是确定凝固过程的不同时刻析出固相的溶质质量分数及最