材料科学基础第七章2.3.pptVIP

7.4 二元合金的凝固理论 液态合金凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外，由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶、固中发生重新分布，这对合金的凝固方式和晶体的生长形态产生很大的影响，会引起微观偏析或宏观偏析。 微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象。 宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区域范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异。 固溶体的凝固理论 共晶凝固理论 合金铸锭(件)的组织与缺陷 7.4.1 固溶体的凝固理论 1.正常凝固 2.区域熔炼 3.有效分配系数ke 4.合金凝固中的成分过冷 1. 正常凝固及平衡分配系数k0 平衡凝固（equilibrium solidification）：在凝固过程中固相和液相始终保持平衡成分，即冷却时固相和液相的整体成分分别沿着固相线和液相线变化。 合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度可用溶质平衡分配系数（equilibrium distribution coefficient）k0表示。 平衡分配系数为平衡凝固时固相的质量分数WS和液相的质量分数WL之比(即液固两平衡相中溶质浓度之比)，即： k0 = WS/WL 1. 正常凝固及平衡分配系数k0 平衡凝固一般难实现，由于冷却时冷速过快固相和液相的整体成分不可能达到平衡成分，凝固为非平衡凝固（nonequilibrium solidification）。 在非平衡条件下，已凝固的固相成分随凝固先后顺序而变化。即随凝固距离x而变化。（如图7.65所示） 1. 正常凝固及平衡分配系数k0 2. 区域熔炼 如果合金通过由试样一端向另一端局部熔化，经过区域熔炼的固溶体合金，其溶质浓度随距离的变化与正常凝固有所不同的，其变化符合区域熔炼方程： 3. 有效分配系数ke （自学） (1)成分过冷的概念 纯金属凝固时，Tm不变，当T＜Tm时引起过冷，液体的过冷度完全取决于实际温度分布，这种过冷称为热过冷。 在合金凝固时，由于液相中溶质分布发生变化而改变了凝固温度，这可由相图中的液相线来确定，因此，将界面前沿液体中的实际温度低于溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过冷（constitutional supercooling）。 成分过冷能否产生及程度取决于液固界面前沿液体中的溶质浓度分布和实际温度分布这两个因素。 (2) 成分过冷产生的临界条件 一类是外界条件控制的参数温度梯度G和凝固速度R。 当G值越小和R值越大，越容易产生成分过冷。 另一类反映合金性质的参数液相线斜率m、平衡分配系数k0和溶质浓度W0 。 液相线斜率m大、平衡分配系数k0小和合金溶质浓度W0大，都容易产生成分过冷。 (3) 成分过冷对晶体生长形态的影响 固溶体凝固时在正的温度梯度下，由于凝固界面液相中存在成分过冷，并随着成分过冷冷度从小到大，其界面生长形态将从平直界面向胞状和树枝状发展。而纯金属凝固时须在负的温度梯度下才得到树枝状组织。这是二者的区别。 成分过冷对晶体生长形态的影响 7.4.2 共晶凝固理论 1.共晶组织分类及形成机制 (1)金属—金属型：层片状或棒状共晶。 影响形状的因素： ① 共晶中两组成相的相对量（体积分数）。 若共晶中两相中一相的体积分数小于27.6%时，有利于形成棒状；反之有利于形成层片状。 ②相界面的比界面能。 在共晶中一相的体积分数在27.6%以下时，当比界面能降低有利于降低体系的能量时，有利于形成层片状。当界面面积降低有利于降低体系的能量时，倾向于形成棒状。 共晶体层片间距： 7.4.3 合金铸锭(件)的组织与缺陷 零件的获得途径： ①铸件 ②铸锭—开坯—热轧(锻)—机加工—热处理—机加工等工序 铸锭(件)的宏观组织及性能 铸锭(件)的缺陷 —缩孔与偏析 1. 铸锭(件)的宏观组织 典型宏观组织由表层至中心分为： （1）表层细晶区（激冷区chill zone）： （2）柱状晶区形（columnar zone）： （3）中心等轴晶粒区（equiaxed crystal zone）： 镇静钢：钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝粉进行充分脱氧 。 沸腾钢：钢液在浇注前仅用锰进行充分脱氧 ，脱氧不充分。 镇静钢锭宏观组织示意图 沸腾钢锭宏观组织示意图 焊缝区的组织－晶粒形态 铸态和轧制态晶粒比较 铸锭(件)的缺陷 (1) 缩孔 ① 集中缩孔 ②分散缩孔(疏松) (2) 偏析 ① 宏观偏析(区域偏析) ② 显微偏析 (1) 缩孔 缩孔分类：集中缩孔： 分散缩孔(疏松（p