材料科学基础第七章下.ppt

7.4 二元合金的凝固理论;图7.43 两种k0情况 （a）k0﹤1 （b）k0﹥1; 为了便于研究，假定水平圆棒自左端向右端逐渐凝固，并假设固-液界面保持平衡。冷却极为缓慢，达到了平衡凝固状态，即在凝固过程中，在每个温度下，液体和固体中的溶质原子都能充分混合均匀，虽然先后凝固出来的固体成分不同，但凝固完毕后，固体中各处的成分均变为原合金成分C0。 ;（一）液体中仅借扩散而混合的情况 ;（二）液体中溶质完全混合的情况 圆棒从左端至右端的宏观范围内的成分不均匀现象，称为宏观偏析。 圆棒离左端距离X处的溶质浓度 : 剩余液相的平均浓度: 其中 L：合金棒长度；C0：合金的原始浓度。 ;二、区域熔炼 对于k0﹤1的情况，合金铸锭凝固后，溶质富集于右端，因此左端得以纯化。利用这一原理发展的区域熔炼技术，具有极好的提纯效???。 区域熔炼不是把材料的棒料全部熔化，而是将棒料从一端顺序地进行局部熔化，例如用感应圈使合金棒加热熔化一段并从左端逐步向右端移动，凝固过程也随之顺序地进行。当熔化区走完一遍后，对于k0﹤1的材料，溶质杂质富集到右端。 区域熔炼一次的效果虽然比正常凝固的效果小，但可反复进行多次，最后可以获得很高纯度的材料。 ;三、表征液体混合程度的有效分配系数ke （一）固液边界层的溶质聚集对凝固圆棒成分的影响 ;（二）初始过渡区的建立 当从固体界面输出溶质的速度等于溶质从界面层扩散出去的速度时，则达到稳定状态，从凝固开始至建立稳定的边界层这一段长度称为“初始过渡区”，达到稳定状态后的凝固过程，称为稳态凝固过程。 在稳态凝固过程中，固溶体溶质分布方程为： 其中Ke为有效分配系数， 式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数; 式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数 当凝固速度非常缓慢时， Rδ/D→0，Ke →K0，即为液体中溶质完全混合的情况。 当凝固速度非常大时，e - Rδ/D→0 ， Ke=1，为液体中溶质仅有通过扩散而混合的情况。 当凝固速度介于上面二者之间，K0＜Ke＜ 1，液体中溶质部分混合的情况。;（三）Ke方程式图解 圆棒离左端距离X处的溶质浓度 ： 液体中溶质完全混合： 液体中仅借扩散而混合， 液体中溶质部分混合;四、合金凝固中的成分过冷 （一）成分过冷的概念 纯金属在凝固时，其理论凝固温度（Tm）不变，当液态金属中的实际温度低于Tm时，就引起过冷，这种过冷称为热过冷。 在合金凝固过程中，由于液相中溶质分布发生变化而改变了凝固温度，这可由相图中的液相线来确定，因此，将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过冷。 成分过冷能否产生及程度取决于液-固界面前沿液体中的溶质浓度分布和实际温度分布这两个因素。 对于k0﹤1成分为C0的合金，从左向右定向凝固，当左端温度降到T0时，开始析出k0C0成分的固体，随温度降低，界面处液相和固相的浓度分别沿液相线和固相线变化，溶质仅靠扩散混合，达到稳态凝固时，固-液界面温度降至固相的Ti维持不变，这时界面上固相成分为C0，液相成分为C0/k0，而远离界面的液体成分仍为C0。界面沿液体中溶质浓度变化区距界面X处溶质浓度可表示为：; 从相图可知，液相线是随溶质浓度增 加而降低，将界面前沿不同溶质浓度所对 应的液相线的温度绘制于T-X坐标中。若 再将液体的实际温度液也绘在该图中为G2 对应斜线，可以看出，在X＝0处固液平衡 温度与Ti相同，基本无过冷度，而在稍前方 的液体，虽然实际温度比固-液界面处高， 但却在TL(X)线之下，表明存在一定的过冷 度。;（二）产生成分过冷的临界条件 假定相图的液相线为直线，其斜率为m（相当于每1％溶质浓度所降低的温度），则液相线可表示为： 式中Tm为纯A的熔点，则 此即界面前沿各点浓度所对应的液相线温度方程。C0成分的材料在稳态凝固时，界面温度Ti为： 则 而界面前沿液体的实际温度分布可表示为：; 式中G为温度梯度，它随冷却速度的不同而具有不同的斜率，G增大到G1时