材料科学基础二元合金的凝固理论.ppt

* b. 柱状晶区的形成 随着细晶区的形成和内部热量的向外传递表面温度逐渐升高，在铸锭内部形成一定的温度梯度，便在细晶的基础上部分晶粒向里生长形成柱状晶。 在柱状晶生长过程中，液-固相界面前沿液体中具有正的温度梯度。对于工业纯金属和合金来说，通常在界面前沿液体中存在着较大的成分过冷度，故柱状晶的以树枝状方式生长，但柱状晶的主晶轴垂直于模壁。 * c. 中心等轴粗晶区的形成 柱状晶越发展，温度梯度越小，则成分过冷区越来越宽。当铸锭向四周的柱状晶都向锭心发展并达到一定的位置时，由于成分过冷的增大，使铸锭心部的溶液都处于过冷状态，都达到非均匀形核的过冷度，开始形成许多晶核，沿着各个方向均匀生长，阻碍了柱状晶区的发展，形成中心等轴晶区。 * 铸锭中三层组织的性能 细晶区：等轴晶粒，组织较致密，故力学性能较好。但由于细晶区层总是比较薄的，故对整个铸锭的性能影响不大。 柱状晶区：相互平行的柱状晶层。组织致密，另外柱状晶的“铸造织构”可以被利用。立方金属的001方向与柱状晶长轴平行，这一特性可被用来生产用作磁铁的铁合金；还可用来提高合金的力学性能。 中心等轴晶区：各方向上的力学性能较均匀一致。但容易形成许多微小的缩孔，导致组织疏松。 * 影响铸锭组织的因素 铸锭的宏观组织与浇注条件又密切关系： 随浇注条件变化可改变3个晶区的相对厚度和晶粒大小，甚至不出现某个晶区； 快的冷却速度，高的浇注温度和定向散热有利于柱状晶的形成；若金属纯度较高、铸锭截面较小时，柱状晶快速成长，有可能形成穿晶。 慢的冷却速度，低的浇注温度，加入有效形核剂或搅动等均有利于形成中心等轴晶。 * 铸锭中的缺陷 铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的。 1. 缩孔 shrink hole 大多数液态金属的密度比固态的小，因此结晶时发生体积收缩。金属收缩后，如果没有液态金属继续补充的话，就会出现收缩孔洞，称之为缩孔。 缩孔是一种重要的铸造缺陷，对材料性能有很大影响。通常缩孔是不可避免的，人们只能通过改变结晶时的冷却条件和铸模的形状（如加冒口等）来控制其出现的部位和分布状况。 缩孔 * 铸件中的气孔 2. 气孔 gas hole 在高温下液态金属中常溶有大量气体，但在固态金属的组织中只能溶解极微量的气体。因而，在凝固过程中，气体聚集成气孔夹杂在固态材料中。 如果使液态金属保持在较低温度，或者向液态金属中加入可与气体反应而形成固态的元素，以及使气体分压减小，都可以使铸件中的气孔减少。减低气体分压的方法是把熔融金属置入真空室内，或向金属中吹入惰性气体。 内部的气孔在压力加工时一般可以焊合，而靠近表层的气孔则可能由于表皮破裂而发生氧化，易形成裂纹。 * 3. 偏析 segregation 铸锭中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。 分为：宏观偏析和显微偏析 宏观偏析 （区域偏析） 正常偏析（正偏析） 合金的分配系数k01,合金铸件中心所含溶质质量浓度比外层的高 反偏析 合金的分配系数k01,合金铸件中心所含溶质质量浓度比外层低 比重偏析 初生相与液体之间密度相差悬殊 消除方法：增加冷速；加入第三种组元 * 显微偏析 胞状偏析 溶质组元在胞壁处富集或者贫化 可通过均匀化退火消除胞状偏析 枝晶偏析 先凝固的枝干与后凝固的枝干之间的成分不均匀 树枝状生长，一个树枝晶就形成一个晶粒，故枝晶偏析发生在一个晶粒内部，也称为晶内偏析 影响因素： a.凝固速度：越大越严重； b.偏析元素在固溶体中的扩散能力：越小越严重； c.凝固温度：越宽越严重 晶界偏析 溶质元素在晶界处富集的现象 影响因素：a.溶质含量：越高，偏析越严重 b.非树枝晶长大使晶界偏析越严重，枝晶偏析可减弱晶界偏析 c.结晶速度：越慢，原子扩散越充足，偏析越严重 * * * * * 特征： ●由于第二组元的加入， 溶质原子要在液、固两相中发生重新 分布，这对合金的凝固方式和晶体的生长形态产生重要影响。 ●结晶过程与对应的相图有直接的关系，在形核时不仅需要过 冷、结构起伏和能量起伏，而且还需要成分起伏。 成分起伏：材料内因原子的热运动，引起微区中瞬间偏离溶液 的平均成分，出现成分此起彼伏的现象。 ●引起凝固组织的宏观偏析和微观偏析。 7.4 二元合金的凝固理论 * 合金凝固时，要发生溶质原子 重新分布，重新分布的程度可用分配系数来表示 平衡分配系数 k0： 7.4.1 固溶体的凝固理论 * 平衡凝固 假设：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(扩散)，凝固完毕后，固溶体中各处的成分均为合金成分，无溶质的偏聚。 * * 固溶