东大金属凝固原理第二章选编.ppt

第二章 凝固热力学 ; 一般认为液态金属是无序结构.研究证明:晶体结构和形态与相变前液态金属结构及热力学和动力学密切相关.通过X射线,电子衍射,中子衍射,和同步辐射,获得了液态金属结构的信息。 即使是固态金属,点阵上的原子(离子)也在不停的振动,温度越高,振动幅度越大.体积膨胀,高于能垒的原子会离开点阵,形成空位.金属加热到熔点时,体积突然膨胀3~5%,相当于固体金属从热力学零度加热到熔点时体积的总膨胀量.(热力学零度－绝对零度,认为一切原子停止振动)在熔点处,金属的电阻和粘度也有一个突变.在固液转变(液-固转变)时,吸收大量热(结晶潜热),温度却不升高.热转变成内能,原子的混乱度增加,有序变为无序。 ;一、熔化热；熔化熵;二、液态金属的特点及其遗传性; 炉料的组织和缺陷对凝固后铸件或毛坯的组织和缺陷有影响、在液体合金中加入合金元素后，改变??合金中元素与元素之间的相互作用，进而影响凝固后铸件或毛坯的组织，液体金属或合金的结构（如过冷度、净化程度等）不同对凝固后铸件或毛坯的组织有影响，这些影响液体金属或合金熔体结构进而影响凝固后铸件或毛坯的组织与性能称金属或合金的遗传性。;§2-2 二元合金的稳定相平衡; 图2-11 纯金属液相自由能 GL 和 固相自由能 GS 随温度的变化;一、纯组元 ;若T≠TM：则：△G= △H-TM△S≠0在过冷度△T=TM-T不大的情况下，近似认为△H、△S不随温度变化，则：;1、压力对纯组元平衡熔点的影响反应系统的压力改变，引起液相和固相自由能的变化为：;平衡时， △G= GL-GS =△H-TM△S=0 △S=△H/TM VL- Vs= △V； Ss-SL = △S;2、晶体表面曲率的影响 凝固时，晶体表面不平，或凸、或凹，曲率不同，晶体受到附加压力，晶体体积增加时，要克服附加压力作功。当任一曲面体积的增加△V ，面积增加△A ，附加压力 △P 与界面张力σ 的关系为 △A·σ= △P·△V ;曲率半径越小，曲率k越大，引起的平衡温度的变化越大，平衡温度降低。;3、固液界面的成分 ;4、界面溶质分配系数 在非平衡凝固条件下，界面处的固液两相成分即使在一定温度下，也不象平衡状态那样是一个定值，而是在一个范围内，其值大小取决于动力学条件。J.CBrice 从理论上导出界面前沿溶质分配系数K与晶体长大速度间的关系。 设v为原子的扩散速度，α为溶质原子在S/L界面上的粘着系数，β为已被吸附原子脱离系数，CS 、 CL分别为S 、 L相的溶质浓度。在S/L界面上：溶质原子从S相到L相的交换速度为：β CS v-脱离溶质原子从L固相到S相的交换速度为： αCLv -吸附; 在平衡条件下， αCLv= β CS vK0=CS / CL=α / β 原子在S/L界面粘着系数与脱离系数之比。设S/L界面以f 速度向前推进，有： （ CL - CS ） f= β CS v- αCLv K= （f+ αv ) / (f+βv ) 当长大速度（界面推进速度）f→ 0时，K→K0;长大速度越小，K越小，越接近K0 . 当f→∞时，K→1，K= CS /CL =1, CS =CL . K=1，即无扩散凝固，溶质原子完全捕获， Complete Troping CS =CL不存在溶质分配，无偏析。 在快速凝固条件下，存在这种情况，过冷度非常大。 界面推进速度影响分配系数，影响界面前沿溶质浓度分布。 溶质浓度分布影响界面稳定性，影响凝固组织形态。