四单相合金的凝固讲解.ppt

第四章 单相合金的凝固 第一节 凝固过程的溶质再分配 第二节 金属凝固过程中的”成分过冷” 第三节 界面的稳定性与晶体形态 第四节 胞晶组织与树枝晶 第五节 微观偏析 第六节 固液界面非线性动力学理论 第一节 凝固过程的溶质再分配 1 液相中完全混合的溶质再分配 考虑溶质元素的反扩散，非平衡凝固时固液界面溶质 浓度与固相分量的关系，如图所示由质量守恒可知： 固相内溶质反扩散的边界层厚度： 左侧第一项为面积A1，凝固出 Ldfs合金排出溶质量；右侧第一 项为面积A2，液相内溶质的增量； 第二项为面积A3，固相溶质反扩散 的增量。 设凝固厚度与凝固时间具有平方根原理的关系，凝固速度可表示为： 得固相扩散、液相完全混合的溶质分布方程： 无量纲的扩散因子可表示为： 当 即固相中无扩散时，上式变为： 当 即平衡凝固的溶质分布表达式为： 2 液相中有对流作用的溶质分配 实际生产中液相中的完全混合是较少遇到的，所以在 固液界面会存在一个扩散层，在扩散层以外的液相成 分因有对流而保持一致。液相中有对流时的溶质分布 如右图。忽略固相的溶质扩散，由溶质质量守恒： 其边界条件如右图所示： 解方程得： 代入边界条件可得： 整理后得： 4-12 若液体容积有限，则C0是逐步提高的，这样： 在液相中没有对流只有扩散的情况下，上式中 此时，上式即变为稳定态时溶质分布方程： 另外，当达到稳定态时： 4-13 对式4-12中的CL求导可得： 4-14 将式4-13代入式 4-14并运用 的关系可得： 4-17 此即溶质有效分配系数的表达式，它将凝固中的溶质分 布与晶体的生长条件联系起来。可以看出，搅拌对流愈 强时，扩散层愈小，故 愈小；生长速度越大时， 愈 向 趋近。 3 液相中只有扩散的溶质再分配 单相凝固液相中没有对流只有 扩散时不同凝固阶段的溶质分 布如右图所示: 由于质量守恒，对于 的 合金来说，最初过渡区溶质的 贫乏总量等于最终过渡区溶质 的过剩总量即右图中Ａ１＝Ａ２ ，由图b可知，固相浓度增加 的趋势随固相中溶质贫乏的程 度的减轻而变小，即： 边界条件： 解此方程得最初过渡区内溶质分布表达式： 从上式可以粗略地估计出最初过渡区的长度为 ，由此看来，最初过渡区的长度随着长大速度v的增大 而减小，同时，合金的k0值越小，该过渡区距离愈长 。 讨论前面所求的稳定态区内溶质分布表达式： 由上式可以看出稳定态时液相时溶质成分CL受晶体长 大速度的影响，因此，它同时也会对固相成分发生影响 。如下图所示： 以上变化说明，在稳定状态下，凝固速度的减小，将会 使固相局部地区溶质贫乏；而凝固速度的增大，将使固 相局部地区的溶质富集。 第二节 金属凝固过程中的成分过冷 1 成分过冷的判别式 当单相凝固平界面生长达到稳定 后，对于 的合金来说，在 固液界面前沿的液相内将形成稳 定的溶质富集层，该当量边界层 的厚度 与界面推进速度成反比 ，即 。 可以将溶质富集层转变成“液相 线温度边界层”，如图4-13所示， 图中所表示的固液界面前沿液相内的溶质浓度随距固液界面的距 离的增加而减小；与此相对应，液相线的温度TL则由低变高，当 液相线温度TL的分布曲线高于液相内的实际温度Tq分布线时，就 会在固液界面的前沿液相中形成“成分过冷”区。 成分过冷判别式的推导： 设液相线的斜率为mL，则液 相熔点温度分布梯度可表示 为： 在平界面凝固条件下，界面 处液体内实际温度梯度应大于 等于液相熔点温度分布的梯度 即： 最终可整理得： 此即成分过冷判别式的通用式． 没有对流只有扩散的情况下，　　　上式变为： 或： ２成分过冷的过冷度 成分过冷的过冷度可表示为： 其中： 可得成分过冷的过冷度为： 第三节 界面稳定性与晶体形态 界面上出现的任何周期性的干扰行为都可以考虑为所有可能波长的正弦干扰，界面的稳定性取决于正弦波的振幅随时间的变化率，如果振幅随时间而增大，则界面不稳定；相反，如果 振