第4章——单相及多相合金的结晶-2013.pdf

第 四 章 单相及多相合金的结晶 刘 洪 喜 昆明理工大学材料科学与工程学院 主 要 内 容 一、凝固过程溶质再分配 二、合金凝固界面前沿的成分过冷 三、成分过冷对合金单相固溶体结晶形态的影响 四、共晶合金的凝固 凝固与结晶：凝固是金属由液态转变为固态的过程。包括平衡 凝固和非平衡凝固两方面。结晶是指从原子不规则排 列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程 一次结晶和二次结晶：通常把金属从液态转变为固体晶态的过 程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另 一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶 单相合金和多相合金：单相合金是指结晶过程中只析出一个固 相的合金；其中纯金属是特例。多相合金是指结晶过程 中同时析出两个以上新相的合金 单相合金的凝固特点 除纯金属外，单相合金的凝固一般是在 一个固、液两相共存的温度区间内完成 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 常见凝固条件 在近代凝固技术研究中，将凝固条件分为三种：平衡凝固、近 平衡凝固、非平衡凝固 平衡凝固：是指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 近平衡凝固：对于大多数实际的材料加工而言，所涉及的合金 凝固过程一般不符合平衡凝固条件，合金凝固过程中的固、液 相成分并不符合平衡相图规定。但在紧邻固-液界面处合金成分 符合平衡相图-界面平衡，相应的凝固称为近平衡凝固 近平衡凝固为接近实际生产条件下的凝固，也称正常凝固。常 见近平衡凝固有三种：固相无扩散、液相充分混合均匀；固相 无扩散、液相只有有限扩散；液相中部分混合（有对流） 非平衡凝固：是指绝对的非平衡凝固，如快速凝固、激光重熔 及合金雾化冷却等近现代先进的材料成形技术中液态合金的凝 固。此时已不遵循热力学规律，即使在固-液界面紧邻处也达 不到平衡凝固条件 第一节 凝固过程中溶质再分配 绝对平衡凝固条件下的溶质再分配 固相无扩散而液相充分混合均匀的溶质再分配 固相无扩散而液相有限扩散的溶质再分配 液相中部分混合（有对流）的溶质再分配 一、绝对平衡凝固条件下的溶质再分配 平衡凝固：是指液、固相溶质成分完全达到平衡状态图对应 温度的平衡成分，即固、液相中成分均能及时充分扩散均匀 ∗ ∗ * C C s C C 凝固过程(T = T ) 中，固-液界面上成分为： S ； L L 固、液相质量分数f s 、f L 与固液相成分间关系式： 凝固终了时，固相成分均匀地为: CS = C0 只是理想状态。对于合金中含诸如C、N等原子半径较小的间隙 溶质原子时，在通常凝固条件下，可近似认为按平衡情况凝固 二、固相无扩散液相混合均匀的溶质再分配 该情况下溶质在固相 中没有扩散，而在液 相中充分混合均匀 (足够的搅拌和对流) 液相充分混合均匀凝 固条件下溶质再分配 a) 相图；b) 开始凝固；c) 温度T*时的凝固；d) 凝 固完毕 降至T*时，固-液界面上固相成分与液相成分平衡，由于固相中无扩散，成 分沿斜线由K C 逐渐上升（固相先后凝固各部分成分不同）；而液相完全混 0 0 * C C 合均匀，平均成分为 L L 。因为在任一温度为T*时，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，即 *