08材料科学基础讲义-8.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 可将共晶组织划分为3类： 金属—金属型(粗糙—粗糙界面) 由金属—金属组成的共晶，如Pb-Cd，Cd-Zn，Zn—Sn等。 金属—非金属型(粗糙—光滑界面)。如Fc—C(石墨)等合金共晶 非金属—非金属(光滑—光滑界面)。此类共晶组织形态研究甚少，而且不属于合金研究的范围，故不加以讨论。 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 a．金属—金属型共晶 这类共晶大多是层片状或棒状共晶。形成层片状还是棒状共晶，取决于： 共晶中两组成相的相对量(体积百分数)。如果层片之间或棒之间的中心距离λ相同，并且两相中的一相(设为α相)体积小于27．6％时，有利于形成棒状共晶；反之有利于形成层片状共晶。 具体数学推导如下： 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 a．金属—金属型共晶 推导模型如图所示。设捧的半径和片的厚度均为r，长度为l，α相棒状排成六方阵列。 可计算出棒状共晶的六边形体积为 其中 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 a．金属—金属型共晶 可计算出棒状共晶的六边形体积为 其中 计算可得，β-α相界面积为： 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 a．金属—金属型共晶 设层片状共晶与棒状共晶的体积相同，注意棒状共晶六方阵列的对角线宽为2 λ ，故层片状共晶也必须在相应的间距2 λ中计算与棒状共晶相同的体积，由此可解出层片状共晶的宽度x 层片状共晶β-α相界面积为 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 a．金属—金属型共晶 若棒状共晶组织中β-α相界面积S棒小于层片状共晶中β-α相界面积S片，即： 则有： S棒＜S片 可得 根据上述不等式可得体积分数为 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 a．金属—金属型共晶 这类共晶大多是层片状或棒状共晶。形成层片状还是棒状共晶，取决于： 共晶中两组成相的相对量(体积百分数)。如果层片之间或棒之间的中心距离λ相同，并且两相中的一相(设为α相)体积小于27．6％时，有利于形成棒状共晶；反之有利于形成层片状共晶。 共晶中两组成相配合时的单位面积界面能。当共晶的两组成相以一定取向关系互相配合，可使层片相界面上的单位面积界面能降低，两相只能以层片状分布。 因此，当共晶中的一相体积分数在27.6％以下时，就要视降低界面积还是降低单位面积界面能更有利于降低体系的能量而定。若为前者，倾向于得到棒状共晶；若为后者，将形成层片状共晶。 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 a．金属—金属型共晶 现以层片状共晶为例说明共晶组织形成的机制 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 a．金属—金属型共晶 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 a．金属—金属型共晶 层片状共晶组织的粗细，一般以层片间距λ表示。凝固速度R与λ之间的关系为 共晶的层片间距显著影响合金的性能。共晶组织越细，则合金强度越高，设σ为屈服强度， σ*为与材料有关的常数，则有 式中k为常数，因不同合金而异。 式中m为常数。 上述讨论结果大致也适用于棒状共晶。 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 b．金属—非金属型共晶 这类共晶组织通常形态复杂，如针片状、骨骼状等，但经扫描电镜观察，显示出每个共晶领内的针或片并非完全孤立，它们也是互相连成整体的。 光滑与极糙两种界面的动态过冷度不同引起的 也可能是因为称分过冷引起的 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 b．金属—非金属型共晶 第二节 共晶凝固理论 1、共晶组织分类及其形成机制 a．金属—金属型共晶 在金属—非金属型共品中适当加入第三组元，共晶组织可能发生很大变化。 例如在Al-Si合金中加入少量的钠盐，可使β(Si)相细化，分枝增多；又如往铸铁加入少量镁和稀土元素，使片状石墨球化，这种方法称为“变质处理”。 变质处理方法是一种经济、实用改善共品合金组织与性能的方法，固受到入们的重视 第二节 共晶凝固理论 2、层片生长的动力学 进一步了解界面形成和移动，就是层片生长动力学所需解决的问题。 当共晶合金凝固时，释放出来的单位体积自由能ΔGB为 式中是ΔSf 单位体积