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有色金属及合金的
熔炼与铸锭;大纲;7.1 凝固过程的溶质平衡;菲克第一定律:
其中D:扩散系数,cm2/s,J:扩散通量,g/cm2·s ,式中负号表明扩散通量的方向与浓度梯度方向相反。
第二定律:;;除纯金属外,单相合金的凝固过程一般是在一个固、液两相共存的温度区间内完成的。
在平衡凝固过程中,这一温度区间是从平衡相图中液相线温度开始,至固相线温度结束。随温度的下降,固相成分沿固相线变化,液相成分沿液相线变化。可见,凝固过程中必有传质过程发生,固-液界面两侧都将不断地发生溶质再分配的现象,其原因在于各组元在不同相中化学势不同。;单相合金的凝固特点; 7.3凝固过程的溶质再分配 ;7.3.1 溶质再分配现象的产生;溶质再分配;溶质再分配的影响;;;三种近平衡凝固;;三种凝固条件下固—液界面附近的溶质分配情况 ;7.1.2 基本知识——溶质平衡分配系数;;;;7.1.3平衡凝固时的溶质再分配;平衡凝固条件下的溶质再分配; 固、液两相在温度T*时的平衡成分为 ,
相应的体积分数为 ,则由平衡条件下的杠
杆定律,得
因为 ,故得
此即平衡凝固中的溶质再分配规律。 ;;平衡条件下溶质再分配-杠杆定律;7.1.4 近平衡凝固时溶质再分配;;三种;;;Scheil公式推导 在任一温度为T*时,因溶质量
守恒,形成微量固相所排出的溶质原子量应等于
液相内溶质原子量的变化:
由于 ,并略去dfs,有:
经积分
得
;; T1处:固相成分k0C0,液相成分大于C0,成分均
匀。(k0<1)
T2处:固相无扩散,成分不均匀。
凝固过程中固-液界面上的成分为(Scheil
公式):
;;;应用:区域熔炼;区域熔炼技术的原理;对于K<1的情况, 析出的固相中杂质的含量比原来的少,同时杂质在熔化区富集。这样,当加热环均匀的移动到右端以后,杂质富集在右端。然后将加热环放到左端再重复以上过程,如此多次操作,则棒锭中的杂质就会被定向的“赶”到右端,从而使棒锭金属达到提纯的目的。
;区域熔炼技术的原理;区域熔炼技术的原理 ;2、固相无扩散、液相只有有限扩散时的溶质再分配;;固相无扩散,液相有限扩散下的溶质再分配; 液态金属温度到达T1时,结晶出成分为k0C0的
固相,多余溶质排向液相,由于扩散(无对流)
不足以使溶质完全排向远方,界面前沿出现溶质
富集。;; 界面的不断推进,堆积的溶质越多,浓度梯度越大,扩散越快。当界面温度达到T2时,界面推进所排出的溶质量等于液相中溶质扩散走的量,此时,固相成分保持C0,在界面一侧的液相浓度为C0/k0,前沿的浓度场不再随时间改变,即dCL(x)/dt=0,凝固便进入稳定态:
;此方程的通解为:
根据边界条件:CL(x=0)=C0/k0;CL(x=∞)=C0
得: ,
凝固稳定态阶段富集
层溶质分布规律(指数
衰减曲线):
此即Tiller公式。; ;; 当液/固相界面离凝固器终端的距离小于DL/R
时,界面处及其前沿液相溶质浓度要比C0/k0高得
多,终端的固相浓度也不再是C0,而是大大高于
C0,这时上式也就不再适用。这个最后的阶段称
最终瞬态。
如界面的浓度达到共
晶成分,在共晶温度下
就会结晶出共晶体。; 液相中只有有限扩散时的溶质再分配;3.液相中部分混合时的溶质再分配; 可以将界面前沿的液体分为扩散边界层内和扩
散边界层外两个部分。
在边界层内,成分的均匀依靠扩散实现(静止
无对流);在扩散边界层以外,由于对流使成分
得以保持均匀。;; 此方程的通解为:
边界条件是:CL(x=0)=C*L;CL(x=δ)=C0
得:
上式中CL(x)为边界层内任意一点x的液相成分。
;; 两种极端情况:
①δ→∞时,即液相内无对流而只有扩散的情
况, , , 上式变成前面讨论的液相内
无对流而只有扩散的解:
即Tiller公式。; ②δ→0时,即液相内完全混合的情况。因为
上式是描述扩散层内的浓度的,所以x→0。上
面解的式子左端分子和分母相等,得:
这和前面讨论是相符的。可见,上面解的式
子是平面凝固时液体内溶质分布表达式的通
式。
;溶质再分配小结;;7.2 固—液界面前沿的成分过冷;
金属结晶过程中的过冷现象
过冷度:ΔT= Tm —Tn
Tm :金属的理论结晶温度。
液—固共存温度。
Tm -----理论结晶温度;
Tn -----实际结晶温度。
金属结晶须过冷,且冷速愈快,则ΔT越大Tn越低。 ;1.形核时能量变化和临界晶核半径。
对球形晶核,由ΔG=V?ΔGV+A?σ可得;两种过冷;对于纯金属来说:; 但是: 对于合金凝固,即使在
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