包晶凝固的研究进展.ppt

包晶凝固的研究进展 报告人：陈 杰 报告内容： 一、包晶凝固简介 二、包晶凝固的形核、生长机理 三、各种假设、模型、理论简介 四、包晶凝固实例分析 五、研究设想 一、包晶凝固简介 由包晶反应机理可知，包晶相是依附在初生相表面形核长大的。利用这一点设法在熔体内首先形成大量的固相质点，包晶产物就在这些质点表面形核长大，可以达到细化组织的目的。工业生产中通常在铝和铝合金中加入少量的钛;在铜和铜合金中加入少量铁;或在镁和镁合金中加入少量锆，都是利用包晶转变的特点来达到细化晶粒的目的。不但工业生产中应用了包晶转变来改变材料的性能，而且近几年对于某些铁磁材料、超导材料、形状记忆材料及耐高温材料等功能材料的研究和开发也涉及到了包晶反应，可见人们对包晶型合金的研究兴趣日益增加。 由于包晶凝固在初生相形核和生长过程中的复杂性，使得包晶合金在凝固时，有着特殊的凝固行为，展示出多样的微观组织形貌，人们对其凝固过程和机理的研究远没有单相和共晶体系那样深入，长期以来仅限于定性的描述，至今还没有形成较为完整的理论体系，也没有单相和共晶合金那样较成熟的凝固模型（如成分过冷准则、MS界面稳定理论、JH规则共晶分析模型等），凝固著作中有关包晶合金的内容也很少（仅有少量有关包晶合金平衡凝固的内容）。 目前关于二元包晶合金的研究主要是以定向凝固试验为基础，研究包晶凝固的形核、凝固界面形态与相选择、带状组织与耦合生长、包晶相的生长机制等。 二、包晶合金的凝固及凝固组织 1、包晶凝固过程的三个阶段（包晶相的生长机制） 2、平衡凝固 3．非平衡凝固 4、包晶凝固中相的竞争与选择 1、包晶凝固过程的三个阶段： 1）液相与初生相α反应形成包晶相层;2）包晶相β通过在已形成包晶相层内的固相扩散长大；3）包晶相依附于已形成的包晶相上直接向液相中生长。在实际的包晶凝固过程中，初生相完全被包晶相包覆以后，后两个生长阶段是同时进行，无法截然分开的。 当体系温度降低到初生相液相线以下时，初生相开始生核并且生长;当温度进一步降低到包晶温度Tp时，包晶相依附于初生相生核，并通过包晶反应开始生长，直至参与包晶反应的两相中有一相完全耗尽。若液相先于初生相被耗尽，则获得的凝固组织为包晶相包覆初生相的结构:若初生相先于液相被耗尽，则剩余的液相将直接转变为包晶相，最后获得完全由包晶相构成的组织。 3．非平衡凝固  如前所述，包晶转变的产物β相包围着初生相α，使液相与α相隔开，阻止了液相和α相中原子之间直接地相互扩散，而必须通过β相，这就导致了包晶转变的速度往往是极缓慢的. 显然，包晶转变能否进行完全与形成新相β内的扩散速率有关。 实际生产中的冷速较快，包晶反应所依赖的固体中的原子扩散往往不能充分进行，导致包晶反应的不完全性，即在低于包晶温度下，将同时存在未参与转变的液相和α相，其中液相在继续冷却过程可能直接结晶出β相或参与其他反应，而α相仍保留在β相的心部，形成包晶反应的非平衡组织.  4、包晶凝固中相的竞争与选择 在包晶凝固过程中，不同的相间存在两种竞争方式:形核竞争和生长竞争。对于过冷条件下的自由生长,由于形核所需的过冷度相对较大,一旦某一相开始生核,在形核生长过程中放出大量的相变潜热,就可以抑制其它相的形核及生长，因此相及微观结构形成主要取决于形核竞争。在定向凝固中，由于存在形核基底，通常两相的过冷度比较小，因此最终的相组成主要取决于不同相之间的生长竞争. 三、各种假设、模型、理论简介 1、成分过冷判据 2、最高界面生长温度假设 3、充分形核判据（NCU判据） 4、界面响应函数（IRF) 5、定向凝固界面形态演化的准三维自洽模型 2、最高界面生长温度假设 在定向凝固中，凝固界面生长温度最高的相具有最大的稳定性，其凝固时比其它相更接近液相，在竞争生长中能占据有利位置，释放的结晶潜热及其溶质分凝的结果会抑制其它相的形核与生长。 3、充分形核判据／假设（NCU判据） 预先假定了形核相有极高的形核密度，包晶合金凝固过程中的相转变由界面前沿的生核和生长条件所决定;当界面前沿第二相生核并覆盖初生相并占据固液界面前沿液相区，第二相阻碍了初生相的进一步生长时，界面将发生由初生相向第二相的转变。由于这个判据考虑了形核与成分过冷两方面的因素，人们也将其称为NCU判据.但是这个判据仅仅考虑了形核作为控制因素的情况，缺乏对生长竞争的明确描述。 优点：利用上图包晶合金微观组织相选择图基本上能定性解释包晶合金凝固中出现的复杂凝固组织形态，如初生相和包晶相两相胞枝晶的竞争生长（稳态相和亚稳相的竞争过程）造成的单相结构、与凝固生长方向垂直的两相平界面带状结构和初生相以枝晶或块状弥散状态