第十三节-单相合金的凝固技术分析.ppt

在一定温度梯度和合金参数下，界面失稳的临界速度为： 平界面是稳定的。界面上的任何凸起都将长入比自身熔点高的液体中，生长将被阻止 平界面是不稳定的。界面上的任何凸起都将长入比自身熔点低的液体中，生长将会继续 参考内容 正的温度梯度是对界面稳定有利的因素 正的浓度梯度是对界面稳定不利的因素 不稳定(a)和稳定(b)界面的演变过程 图示的界面形态是通过光学显微镜观察非小平面透明有机物凝固过程时可以看到的。任何一种界面在生长时都会受到不溶性固体颗粒、温度起伏或晶界的干扰。界面是否稳定，取决于它对这些干扰的响应特性。这里设想界面最初受到一有规律的空间干扰而稍微变形。如果这个变形的界面是不稳定的(a)，凸起部分将处于更有利的生长环境中而凸得更远；对于稳定界面(b)，凸起部分将面临不利的生长环境而趋于消失。在合金的铸造过程中，固液界面一般都是不稳定的。 参考内容 成分过冷度 忽略动力学过冷度?TK，成分过冷度?TC可表达为： 由： 有： 固液界面前沿的溶质分布 ： 参考内容 因此： 而： 因此，成分过冷度： 最大成分过冷度： 参考内容 发生在： 影响成分过冷度的因素： 1.界面前沿液相中的温度梯度 2.晶体生长速度V 3.溶质在液相中的扩散系数 4.液相线斜率m 5.溶质分配系数k 6.溶质含量C0 其中1、2是外界因素 3、4、5、6是合金因素 参考内容 参考文献 M.C.Flemings, 凝固过程 W.Kurz,凝固原理 介万奇，凝固技术 * 如果扰动随结晶过程而增强，则界面形态是不稳定的。 这时向过冷熔体中生长的扰动前端过冷度增大，扰动生长速率加快，使平界面变得凹凸不平，且向枝晶态发展。 如果扰动随结晶过程而减弱，则界面形态是稳定的。 即使界面上有扰动凸入液相中，也会被重新被熔化而消失。 图2-20 温度梯度对凝固界面的形态演变影响（a）不稳定界面 （b）稳定界面 对于纯金属而言，界面的稳定性取决于散热热流的方向。 在单向结晶的条件下，熔体的温度在界面前进的方向上总是升高的（GL＞0）散失热流的方向与晶体生长方向相反。 在最初的平界面上出现幅值为ε的扰动时，扰动的生长将进入温度更高的熔体，使扰动内温度梯度降低；这时从扰动尖端流入的热量大于从扰动内传出的热量； 其结果是将扰动重新熔化，使界面恢复平整并呈稳定态发展。 5-3-2 纯金属固液界面的稳定性 等轴晶结晶时，情况正好相反。 这时的晶体是在过冷熔体中自由生长，生长时放出的结晶潜热要通过过冷的熔体传出，即凝固散热方向与晶体生长方向一致。界面前熔体温度从界面开始沿着辐射方向降低，其温度梯度GL＜0。 球形界面上出现的扰动将进入温度更低的熔体，从尖端散出热量更大，其结果是使扰动获得更快的生长，界面呈不稳定态发展。 在呈负的温度梯度时， 合金与纯金属一样，凝固界面很不稳定，易于长成树枝晶的形貌。 在呈正的温度梯度时，合金凝固界面的稳定性取决于界面前沿是否存在成分过冷。 界面前无成分过冷时，晶体以平界面生长如图2-23（a）所示； 合金 5-3-2 单相合金的凝固组织 图2.15 界面前方无成分过冷时平面生长a）局部不稳定界面 b）最终稳定界面 5-3-2-1 平面状生长： 界面前存在成分过冷时，界面上任何一个微小的扰动都可使其尖端处于过冷的熔体之中，促使其不断发展，导致胞状界面和枝状界面的形成。 铸造合金只有在足够大的温度梯度下进行单向结晶时，界面才是稳定的。 图2.16 a）窄成分过冷区的形成  b）平界面在成分过冷作用下失去稳定 c）稳定的胞状界面形态的形成 5-2-6-2 胞状生长： 平界面失稳过程： －产生凸起或沟槽 －凸起发展 －凸起稳定 示意图 CBr4(?S/R=0.8) 平面状生长(a) 加入少量溶质后的胞状生长(b) a b 液固界面 扰动的尖端处能够迅速排出溶质，而界面上的凹谷处则聚集了溶质、因此要生长得慢的多。初始波长很短，不能进一步快速生长，最终形成胞状组织。注意，最终的胞晶间距大约两倍于初始波长，而且胞晶间距也不是恒定的。最初的胞晶形态会自行调整以达到最佳生长方式。胞晶调整的方式是：某些胞(B处)停止生长以减少其数量；或者某些胞裂开以增加其数量。图中没有示出胞晶裂开的情况，它应该与图中A点的变化很像――两个分枝在连续生长。另外，大一些的胞晶表面(C处)已经有了轻微的扰动，这表明，晶间液相中仍然存在着使形态发生变化的某种驱动力，可能会导致树枝晶的形成。 液相 胞晶 扰动 固相 平面状固液界面破开形成胞