3.3金属与合金的结晶3.4固溶体合金凝固.ppt

3.3 纯金属的凝固 金属结晶长大时固液界面的形态取决于界面前沿熔体的温度分布。 温度梯度：正温度梯度；负温度梯度 正温度梯度与界面特征 结晶时，释放潜热 液相温度高于固相温度 热量只能通过固相热传导传出，以保证界面继续向液相方面推进。 热流方向与晶体生长方向相反。 固液界面特征： 界面稳定在一个平面上，不含任何凸起； 界面是粗糙的，非小平面界面；（在厚度为几个原子间距的界面上，固液两相原子交错排列，高低不平，原子容易堆砌上去，没有曲折的小平面，宏观上平直。） 界面是等温的，也是过冷的。 界面前沿存在正温度梯度时，界面稳定，并以平面方式向前推进，获得条状单晶体。 负温度梯度与界面特征 液相温度低于界面温度 热量不仅可以通过固相传出，也可以通过液相传出。 界面温度高 固液界面特征： 界面不稳定，界面前方出现固体凸起。凸起部分与过冷度更大的液体接触，继续向前生长称为枝晶。 界面前的过冷度随离开界面的距离增加而提高。 界面前存在负温度梯度，界面不稳定，常出现凸起。 在过冷液体中形核的金属晶体将以枝晶状态生长，获得的晶体为树枝晶。 3.4 单相固溶体合金的凝固 纯金属凝固过程，晶体生长只与液体的温度梯度有关。而在单相固溶体合金的凝固过程中，由于存在成分的变化（液固两相的成分与母相熔体的成分不同，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化），因此凝固时发生溶质的重新分布。由于冷却条件的不同，液固两相中溶质重新分布特点不同，从而引起界面前沿液体过冷度和晶体生长形态的变化。 3.4.1 单相合金凝固特点与溶质再分配 成分为C0的合金，在凝固时，当温度低于T0便开始析出固相，其成分为CS’； 在任一温度T时，固相成分为CS，液相成分为CL。 由于固相成分低于C0，在凝固时固相中不能容纳的溶质原子B被排挤出来，富集在界面前沿液相一侧，然后逐渐相熔体内扩散均匀化。这种成分分离的现象，称为溶质原子的再分配。 3.4.2 平衡凝固 合金凝固中，存在溶质的再分配现象，但是如果合金凝固极其缓慢，液相和固相的溶质原子有充分时间进行扩散均匀化，使凝固过程两相的成分按照相图中的液相线和固相线变化，实现平衡凝固，不会产生溶质再分配的问题。 固相成分： k0C0， 增大均匀化（固相线）， C0. 液相成分： CL， 降低均匀化（液相线）。 非平衡过程？ 3.4.2非平衡凝固过程溶质再分配 溶质扩散过程大大落后于凝固过程，平衡凝固过程很难实现。实际合金凝固过程都是非平衡过程，界面绝大多数都是连续生长的粗糙界面，晶体生长主要取决于热的传输和质的传递。 分析凝固过程时，通常不计溶质在固相内的扩散，只考虑固液界面前沿液相中溶质的传输和界面前沿液相一侧溶质分布情况。 对凝固过程的影响主要是界面前沿的溶质浓度场。 溶质再分配规律主要取决与液相的传质条件。 固相无扩散、液相完全均匀混合 固相无扩散、液相中溶质只有扩散、无对流或搅动 固相无扩散、液相部分混合（界面部分有扩散，其余部分有对流或搅动） 凝固时，固相中原子来不及扩散，液相中由于存在对流和搅拌，溶质原子完全均匀混合。这种非平衡凝固也叫正常凝固。 固相无扩散、液相完全均匀混合 液相在凝固过程中的任一温度下都能够保证溶质原子的均匀分布，其成分沿着液相线变化。 凝固时，从开始凝固的左端固相开始，其成分由k0C0逐渐提高，低于合金原始成分C0，也即固相把容纳不下的溶质原子排挤到液相中，其成分比液相纯。 最终形成的固相，从左至右，溶质原子含量逐渐增加，左端纯化，右端富集溶质原子，K0越小，这个效应越明显。 区域熔炼技术 固相无扩散、液相中溶质只有扩散、无对流或搅动 液相只有扩散，而没有对流或搅动，则凝固时固相中排出的溶质原子不能在液相中均匀混合，将在界面液相一侧富集。 凝固过程溶质原子的再分配可分为三阶段： 稳定生长阶段 当固相成分由k0C0增加到C0时，液相成分增加到C0/k0，界面上排出的溶质等于扩散走的溶质。 稳定生长阶段，界面液相一侧溶质浓度不在增加，界面处固液两相以平衡成分向前推进。 最后过渡阶段 当凝固临近结束时，界面前沿液相一侧溶质再次富集，界面处固液两相的平衡浓度再次上升，形成晶体生长的最后阶段。 固相无扩散、液相中部分混合 实际界面液相一侧的传质过程介于上述两种情况的二者之间。 在界面前沿存在不流动的边界层，厚度δ。 在边界层内，溶质只能通过扩散作用向前移动；在边界层外，可借助对流而达到均匀化（图b）。 δ随流动作用的强弱而变化，当流动性非常强时， δ趋于0，溶质在分配规律与完全混合相同（图c）； 当流动性极弱时， δ值趋于无穷，溶质再分配规律相当于有限传质的情况（图a）。