材料工程基础讲稿-2013-铸锭部分.pptVIP

第五章单相合金的凝固;5.1溶质再分布〔晶体的成分不均匀性〕;衡量溶质再分布状况的主要参数是平衡分布系数k。它表示同一温度下固相成分CS与其相平衡的液相成分CL之比值，即：

k=CS/CL(5.1)

当合金的液相线和固相线向下倾斜时，CS＜CL，k＜1；反之，CS＞CL，那么k＞1。

多数合金元素及杂质在基体金属中k＜1，所以在以后的讨论中，将以k＜1的合金为主。;实际生产条件下，铸锭的凝固都是非平衡凝固，故这里讨论的都是非平衡凝固时的溶质再分布。

;非平衡凝固：

固相内溶质成分不能通过扩散均匀化。

液相内溶质成分可以不同程度的均匀化。

平衡凝固时是怎样的？

〔成分、温度、相变严格遵照相图，是理想和缓慢过程的结果，固相和液相成分随温度均匀、统一变化。〕;5.1.1液相完全混合均匀的溶质再分布;相图、凝固过程、铸件成分的关系;通过推导可得：

CS*=kC0(1-fS)(k-1)(5.1)

CL*=CL=C0fL(k-1)(5.2)

式(5.1)和5.2中，fs和fL分别为固相和液相的重量百分数。

上述二分式分别表示凝固过程中某一温度T*时的固相和液相的成分，称为非平衡凝固的杠杆定律，即Scheil方程，是凝固过程中溶质再分布的根本关系式。;在这一情况下的溶质再分布，会导致铸锭成分分布不均匀，在凝固后期，液相成分远高于C0，甚至可到达共晶体分成CE(见图5-1(C))，使单相合金铸锭中出现共晶组织。

利用该方法可以提纯金属，怎么做？

〔区域熔炼〕;液相局部混合均匀的溶质再分布;5.1.2.1液相中仅有扩散;稳定态的出现和建立：

随着凝固的继续进行，富溶质液体中溶质含量逐渐增加。当温度下降至固相线温度TS时，固相成分就是合金的原始成分C0〔稳定态时固相的成分不变且与原始成分相同〕，而固液界面处的液相成分为C0/k。此时，凝固将在TS温度下进行，且因固相凝固排出的溶质量等于扩散至液相的溶质量，凝固过程处于稳定态。〔参见相图，C0/k-TS关系〕;凝固即将将结束时，仅残留极少量液体，界面上溶质向液体中的扩散受到限制，致使界面上的液相成分显著增高，因而在最后凝固的固相中产生严重的偏析，也会出现非平衡的共晶组织。;5.1.2.2液相中有对流;到达稳定时，固态成分稳定，但小于原始成分，提高对流强度和凝固速度，会使δ减小，液相均匀性提高，溶质偏析现象加剧。;此时的稳定态成分、温度如何？;总之，非平衡条件下单相合金凝固时，液-固界面上液态溶质成分富集，获得的凝固组织，先凝固局部的溶质成分总是小于〔或等于〕原始成分，最后凝固局部的溶质含量较高，甚至会有共晶组织出现。

成分的不均匀性。;作业;5.2成分过冷;k＜1的合金，界面前沿液体的平衡液相线温度TL降低。

〔为什么？〕

与此同时，如果界面前沿液体的实际温度T实低于TL，那么这局部液体处于过冷状态。这一现象称为成分过冷。

成分过冷对晶体形态有重要影响。;液-固界面前沿成分-凝固温度-实际温度-成分过冷关系;由此可见：

液相〔固相〕成分由实际条件而定，液相成分确定后，与其匹配的固相成分、凝固温度依然可以从相图上确定。

;GL愈大、R〔冷却速度〕愈小，愈不易出现成分过冷。反之，GL小、R大或者C0、mL、|1-k|、(TL—TS)、δ、DL小，那么易出现成分过冷。

〔相关内容参见参考书籍〕

生产实际中，合金一定时，主要是通过调整工艺参数，来控制GL/R，进而改变产生成分过冷的条件，到达控制凝固过程的目的。

;GL小那么GL线平缓，GL大那么GL线陡峭。

GL线越平缓，那么出现成分过冷的趋势越强。