08王清老师材料科学基础第八章+材料的凝固.ppt

再结晶 与 固态相变 异同 思 考 题 共晶组织立体模型示意图 若按凝固时液-固界面的性质，共晶组织可分为 金属-金属型（粗糙-粗糙界面） 金属-非金属型（粗糙-光滑界面） 非金属-非金属型（光滑-光滑界面） Zn-Sn、Pb-Cd、Pb-Sn，Al-Ag2Al、Cd-SnCd等 大多是片层状或棒状共晶 Al-Ge、Al-Si、Fe-C等 组织形态复杂、不规则，有针状、骨骼状等 共晶组织形成 片层状共晶组织形成 形核和长大 对于片层状共晶组织： 多数是金属-金属型的共晶，其两相与液相之间的液-固界面都是粗糙界面，界面为平直状生长。但并非两相同时出现，而是某一相在液体中领先形核和生长，称为领先相。若领先相为a，则B组元就会在结晶前沿的液体中富集，促使b相在a相上形核长大，b相的析出又使得A组元在结晶前沿的液体里富集，导致a相又依附于b相形核生长。这样反复，通过交替形核生长，最终形成a和b相间排列的组织。这种形核的机制为“搭桥”机制。 8.3 铸锭（件）的组织和缺陷 Structures and defects of castings 工业上应用的零部件有两种： 铸件：在实际生产中，液态金属被注入到具有一定几何形状和尺寸的铸型模具中成型得到铸件，对铸件来说，铸态组织和缺陷直接影响到它的力学性能和使用寿命； 铸锭：若合金浇注成方或圆的，即得到铸锭，然后开坯，再通过热轧或热锻，最后机加工和热处理。对铸锭而言，铸态组织和缺陷不但影响到它的压力加工性能，而且还影响到压力加工后的金属制品的组织和性能。 8.3.1 铸锭（件）的宏观组织 1. 表层细晶区 chill zone 2. 柱状晶区 columnar zone 3. 中心等轴晶区 central equiaxed zone 1 2 3 1. 表层细晶区 在浇注时，由于铸型模壁温度较低，有强烈地吸热和散热作用，使靠近模壁的一层液体产生很大的过冷度，加上模壁的表面可以作为非均匀形核的核心，因此，在此表层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长，而形成表面很细的等轴晶粒区。 晶核 激冷晶粒 柱状晶粒 等轴晶粒 2. 柱状晶区 在表层细晶区形成后，由于结晶时释放潜热，故细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，只有己形成的晶体向液体中生长。此时热量的散失垂直于型壁，故只有沿垂直于型壁的方向晶体才能得到优先生长，即已有的晶体沿着与散热相反的方向择优生长而形成柱状晶区。 晶核 激冷晶粒 柱状晶粒 等轴晶粒 3. 中心等轴晶区 柱状晶区形成时也释放大量潜热，使散热速度进一步减慢，导致柱状晶体也停止长大。当心部液体全部冷至实际结晶温度以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。 晶核 激冷晶粒 柱状晶粒 等轴晶粒 Ti-Mo-Nb suction-cast alloys Ti-Mo-Nb suction-cast and annealed alloys annealed 二维形核 螺位错长大 过冷度?TK 长大速度vg 连续长大 晶体长大机制比较—— 长大速率 vs 过冷度 8.1.5 结晶动力学 crystallization kinetics 约翰逊—梅尔（Johnson-Mehl）动力学方程： 与时间无关，为常数 阿弗拉密（Avrami）方程： 阿弗拉密方程是描述结晶和固态相变中转变动力学的唯象方程 当N与时间有关时 S—型曲线 转变率 ~ 时间 孕育期 长大期 开始 终了 转变率 时间（对数形式） 再结晶的晶核不是新相，晶体结构未变，而固态相变出现新相； 固态相变倾向于晶界成核，而再结晶以亚晶为基础； 两者动力学过程相似。 固态相变 再结晶 生长速度Vg是温度的函数 不同温度下开始相变具有不同的孕育时间，称为孕育期incubation stage t。 Zr50.3Cu42Al7.7块体金属玻璃不同温度下晶化体积分数随t变化的曲线 t 8.1.6 纯金属晶体凝固时的生长形态 固-液界面的微观结构 界面前沿液相中的温度梯度 正温度梯度 负温度梯度 正温度梯度示意图 负温度梯度示意图 随着离开液-固界面的距离x增大，液相温度T升高 随着离开液-固界面的距离x增大，液相温度T降低 在正温度梯度下，即 ????????????时 界面处的结晶潜热只能通过固相传导出去，所以界面的推进速度受到固相传热速度的控制。 正温度梯度示意图 液-固界面保持稳定的平面形态。 由于界面处的液体具有最大的过冷度，当界面上偶尔发生晶体凸起，就会进入温度较高的液体中，晶体生长速度立即减慢甚至停止。 尽管是平面生长，但界面的形态与界面的形状有关。 （a）光滑界面：生长呈台阶状，组成台阶的平面是晶体的一定晶面，液-固界面自左向右移时，虽与等温面平行，但小平面与等温面呈一