第二章凝固过程基本原理-3.ppt

成分过冷对合金凝固的影响比热过冷重要。 在负的温度梯度下，合金情况于纯金属相似。 在正的温度梯度下，若 则出现成分过冷。 随成分过冷程度的增大，固溶体生长方式由无成分过冷的平面晶，依次发展为胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶（自由树枝晶） 图a：表示不同的成分过冷情况 图b：无成分过冷（G1） 干扰因素引起的微小凸缘 立即消失，因此维持平面 生长 图c：窄成分过冷（G2） 发展为胞状晶的生长 图d：成分过冷区间较宽（G3） 发展为树枝晶 图e：成分过冷在远离界面处大于异质形核所 需要的过冷度ΔT异，就会在内部熔体 中产生新的晶核，造成“内生生长” 自由树枝晶在固—液界面前方的熔体 中出现。（G4） 由成分过冷判据关系式 固溶体生长方式受两方面因素控制 ●工艺因素：GL R ●合金的性质：C0 mL K0 DL C0 、R和mL越小， GL DL和K0（ K0 ＜1）越大，则界面趋于平面生长 其中C0 R GL为三个影响成分过冷程度的主要因素 C0 R GL对晶体形貌的综合影响如图 在干扰的作用下界面产生微小的 凸起，前方有成分过冷存在， 凸起部分向前长大，同时侧向也长大。 K0＜1时，相邻凸起间的沟槽内溶质增加比凸起端部更为迅速。 沟槽内溶质扩散到前方熔体比端部的慢，在沟槽内溶质富集，熔点降低，抑制横向生长。 在沟槽内汇集低熔点溶质构成网络状沟槽 凸起前端的生长由于成分过冷区宽度较窄受限制，不能自由地向熔体前方生长。 当界面处的液相成分达到相应温度下的平衡浓度时，界面形态趋于稳定。 发展良好的规则胞状组织具有正六边形沟槽结构。如图 在平面形态到规则的胞状之间，随着成分过冷的程度不同，界面形态呈现过度形态。 A：成分过冷刚形成时，界面首先变得凹凸不平，出现若干溶质富集的“痘点” B：随着过冷度的增加，坑洼的“痘点”连接成沟槽，界面转变为狭长的胞状界面 C：成分过冷进一步增大时，构成不规则的胞状界面 D：最后在更大的过冷度下，形成规则的胞状形态 ●胞状的生长无晶体学取向（a）。 ●随着GL/R的减小，成分过冷区逐渐加宽，胞状凸起伸向更远处，胞状晶的生长方向开始转向优先的结晶生长方向（b）。 ●胞晶的横断面也受晶体学因 素影响而出现凸缘结构（c） ●过冷区进一步加宽，凸缘上 开始形成短小的锯齿二次分枝 （d） 溶质少的合金，在主干上长处短而密的二次分枝（二次臂） 成分过冷度足够大时，具有高密度的分枝形态，在二次分枝上还会出现三次分枝 胞状生长和柱状树枝晶生长， 最终形成柱状晶。 如果成分过冷度进一步增大， 熔体内部会出现自由生长的等轴晶。 等轴晶的存在阻止了柱状晶区的单相延伸，此后的结晶过程便是等轴晶区不断向前推进的过程。 如图，当固—液界面前方成分过冷的最大值ΔTmax大于非均质大量形核所需要的过冷度ΔT异，界面前方大量生核，导致许多独立的晶体在过冷熔体中自由生长，形成方向各异，各生长方向尺度相近的等轴树枝晶。 在稳定态下，平衡的结晶形态不是球形，是近于球形的多面体 凝固界面前沿的过冷条件关系到凝固界面的宏观形态，进而影响结晶过程。 凝固过程的溶质再分配引起固—液界面前沿的溶质富集，导致界面前沿熔体液相线的改变而可能产生所谓的成分过冷。 K0＜1的情况 T0是成分为C0的合金液的 液相线温度 Ti是，固相成分C0，液相 成分为C0/K0所对应的温度 设，在界面前沿形成一溶质 富集层（图b）， 界面上的液相成分CL*最大， 离开界面处，液相浓度随 距离x’逐渐降低。 液相线温度TL（x’）逐渐 上升（图c） 当界面前沿液相的实际 温度梯度G1实际等于或大于 界面处液相线的斜率时， 界面前沿不 出现过冷； 当温度梯度G2实际小于 液相线斜率时，即满足条件 实际温度在前沿某处与 TL（x’）相交，并在液相 前沿某一区域温度低于液相 线温度，则出现过冷。 这种由于溶质成分富集 引起的过冷称为“成分过冷” 上式为成分过冷的条件 图a中，设，液相线斜率 为Ml，纯金属熔点为Tm， 则平衡的液相线温度为 TL（x‘）=Tm-mLCL（x’） 将稳定状态时液相前沿 溶质分布 代入TL（x‘） 在凝固稳定时， 对应于固—液界面（x‘=0）的温度为Ti 代入TL（x’）表达式 液相实际温度分布为T=Ti+GLx‘ 当 时，出现成分过冷 于是有 上式为出现成分过冷判据 两边除以dx’，得 满足上式时，出现成分过冷 由液相中部分混合（有对流作用）的溶质再分配表达式