材料科学基础第4章凝固.pptx

第四章 凝固Solidification;;航空航天部件;怎样控制凝固过程，得到需要的产品？;内容框架;4.1 液态金属的结构;1.金属的熔化潜热大大低于其气化潜热;2. 熔化过程体积变化率小，仅3~5％;3. 金属熔化时液、固态的热容量变化不大，一般在10%以下;4. 金属熔化时熵Sm（无序程度）相对于RT—Tm的熵变?S明显增加;;金（液态）在1100℃下的X射线衍射图谱;所谓径向分布函数，就是在任一参考原子周围半径为r处的原子密度(单位容积的原子数)。 ;对非密排结构的晶体如Sb、Bi、Ge、Ga等，液态时配位数反而增大，故熔化时体积略为收缩。 液态金属结构的具体模型难以确立，上述的x射线衍射或中子衍射分析虽然得出了液态原子的径向密度函数和配位数等重要数据，但不可能进一步确定原子的几何排列情况。;液态金属的结构的定性描述;;2. 凝固热力学;吉布斯自由能;金属的自由能;固相自由能和液相自由能;金属凝固的条件;金属凝固的过冷现象;纯金属凝固的驱动力;3. 纯金属的凝固过程;凝固过程：;形核;1、?均匀形核;均匀形核条件;临界形核半径和临界形核功;临界形核半径和临界形核功;过冷度与临界形核半径、临界形核功的关系;形核功－－形核的能量来源;形核率;影响形核率的两个因素;形核率与过冷度的关系;实际的均匀形核和有效过冷度;非均匀形核;非均匀形核的形核功;;;;形核功与接触角?（润湿角）的关系;晶核大小与接触角的关系;基底对形核功的影响;非均匀形核的形核率;晶体长大;长大的动力学条件;长大的动力学条件;长大的动力学条件;液－固相界面的微观结构;粗糙界面的微观示意图;Jackson判据;Ⅰ.α＜2时，在P＝0.5处界面能极小值，界面上约有一半的原子位置被固相原子占据着，形成粗糙界面。 Ⅱ.α≥5时，在P＝l和P＝0处，界面能极小，界面上绝大多数原子位置被固相原子占据或空着，为光滑界面。 Ⅲ.对于2＜α＜5，情况比较复杂，往往形成以上两种类型的混合界面。;金属和某些有机化合物的α＜2， 故其液-固相界面为粗糙界面；;晶体长大机制;晶核长大速率;;称之为Avrami方程，其中 n （n=1－4)为Avrami指数。;结晶动力学曲线;生长形态;(1) 正梯度;(2) 负梯度;(2) 负梯度;;机械搅拌、电磁搅拌、超声波振动;4. 固溶体合金的凝固;固溶体凝固方式的分类;平衡分配系数;固溶体的平衡凝固;k0C2;;;固溶体的不平衡凝固;溶质分布;;;;边界层扩散方程及有效分配系数;;;三种不平衡凝固的有效扩散系数;;非正常凝固下的成分过冷及其对凝固组织的影响;;影响成分过冷区大小的因素：;成分过冷临界条件的定性描述;成分过冷临界条件的定量描述;根据推导ke过程中所得的通解：;;b. 铸型中温度分布曲线的数学表达式;c. 临界条件;影响成分过冷区大小的因数;成分过冷对晶体生长形态的影响;4.2 固溶体的凝固;不同成分过冷形成的金相组织;小结：;;典型的共晶组织;按界面结构分类：;1. 金属－金属型共晶; 两相之间的界面能 若两相之间有固定的位向（取向）关系，则形貌一般是片状， 因为此时界面上原子的匹配好，界面能低。 如在Al－CuAl2共晶中两相之间有位向关系： ;片状共晶的形核;片状共晶长大的一般过程;成分过冷对共晶界面稳定性的影响;2. 金属－非金属型共晶;;典型的铸锭（件）宏观组织;;三层组织的性能;影响铸锭组织的因素;铸锭组织对性能的影响;铸造缺陷;;;;;凝固技术;;;;Ke表达式的推导：;方程的通解为：;由于边界上建立了局部平衡，(CS)i/ (CL)i=k0, (CS)i/ k0 = (CL)i