新型固溶体合金的结晶.ppt

§6-2 固溶体合金的结晶;一、非平衡态的结晶;1.平衡结晶; 平衡结晶时，随着温度下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化。; 与纯金属相比，固溶体合金凝固过程有两个特点： 1、固溶体合金凝固时析出的固相成分与原液相成份不同，需成份起伏。α晶粒的形核位置是那些结构起伏、能量起伏和成分起伏都满足要求的地方。 2、固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散。;2.不平衡结晶;不平衡结晶过程各相成分变化及组织变化示意图 a) 成分变化 b) 组织变化; 非平衡凝固的特点有： 凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线； 凝固过程进行到一更低的温度才能完成； 生成固体的成分是不均匀的。 随着冷却速度的增大，这些特点表现的愈明显。 ; 固溶体通常以树枝状生长方式结晶。 非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝晶间的成分不同，称枝晶偏析（晶内偏析）。 枝晶偏析是非平衡结晶的产物，热力学上是不稳定的，可通过“扩散退火”消除，即在固相线以下较高温度经过长时间保温，使原子扩散充分，达到成分均匀，使之转变为平衡组织。; 固溶体合金在不平衡结晶时所形成的晶内偏析是属于一个晶粒范围内枝干（晶轴）与枝晶的微观偏析。 此外，固溶体合金在不平衡凝固时还往往造成宏观偏析和区域偏析，即大范围内化学成分不均匀现象。;二、固溶体合金结晶时溶质的重新分布;两种k0的合金相图一角 a) k0 1； b) k0 1;(2) 不考虑非平衡冷却情况，液、固相界面处始终保持局部平衡，即相界面处由液相生成的固相成分由CS=k0CL确定。 (3) 不考虑固相内的扩散。在各温度下按(CS)i=k0(CL)i 关系生成的固相成分在随后冷却中保持不变。而相界面处液相的浓度(CL)i取决于液相内溶质的混合状态。 合金凝固过程中液相内溶质混合状态分3种类型。; 将成分为C0的单相固溶体合金的熔液置于圆棒形锭子内由向右进行定向凝固。;2. 液相内溶质可充分均匀混合;剩余液相的平均浓度: ;3. 液相内溶质仅靠扩散混合 当凝固速度较大时，液相无搅拌、对流而只有扩散时，则凝固时从固相中排出的溶质原子不能均匀分布在液相中，而在液－固界面处液相一侧堆积，凝固过程中溶质原子的变化分三个阶段： (1)起始瞬态 (Ⅰ) 凝固开始，液相成分C0，固相成分K0C0，冷却中，界面处两相局部平衡，液相成分不均匀，界面处有局部平衡成分CL，远离界面保持母相成分CO。;(2)稳态生长(Ⅱ) 当界面前沿液相成分达到C0/k0，固相成分保持C0；此时由固相中排出的溶质量与从界面处液相中扩散开去的溶质量相等，界面处两相成分不变，达到稳定状态。 则稳态边界层内溶质的分布为:;液相内溶质仅靠扩散混合;4. 液相内溶质部分混合 这种情况介于前述两种不平衡凝固条件之间。液相中除扩散外还存在一定对流。 在液体离开界面的部分有对流发生，使液体成分均匀化；而在界面附近的液体，受到已凝固相的阻碍，沿法线方向不发生对流，而只能通过扩散排出溶质原子，因此，在靠近界面的液相中溶质原子富集。; 当从固体界面输出溶质的速度等于溶质从界面层扩散出去的速度时，则达到稳定状态，称为稳态凝固过程。在稳态凝固过程中，固溶体溶质分布方程为： 其中ke为有效分配系数。;有效分配系数ke ，与k0有如下关系：;圆棒离左端距离x处的溶质浓度:;三、合金凝固过程中的成分过冷;成分过冷能否产生及程度如何取决于： 液－固界面前沿液体中的溶质浓度分布； 实际温度分布。; 由于液相成分不同，其理论结晶温度TL不同，假设液相线为直线，斜率为m；纯组元熔点为TA，则液相的理论结晶温度为： ;当液体实际温度低于理论结晶温度， 即 TDTL，产生成分过冷，;K01固溶体合金成分过冷形成示意图 (a)相图一角 (b)边界层内浓度分布 (c)边界层内液相线温度 (d)TL与TD(G)构成成分过冷;3. 影响成分过冷的因素 ①合金本身: m、Co越大，D越小， k01时k0值越小，k01时k0值越大。 成分过冷倾向增大。 ②外界条件: G越小，R越大， 成分过冷倾向增大。;四、晶体生长形态;Ⅰ区：液相温度梯度G很大，使TDTL， 不产生成分过冷。 晶体以平面方式生长，形成稳定平界面。 Ⅱ区：液相温度梯度G减小， 产生小的成分过冷区 界面偶有凸起，形成胞状界面。 Ⅲ区：液相温度梯