成分过冷的条件_纯金属凝固时生长形态_合金凝固时生长

第五章 成分过冷和单相合金的凝固

1.单相合金凝固组织的表征 2. 金属凝固过程的成分过冷 3.界面稳定性的动力学理论 4.界面稳定性与晶体形态 5. 胞状晶组织 6. 树枝晶组织

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1.单相合金凝固组织的表征

单相合金凝固组织是材料科学工作者最感兴趣的问题之一。 凝固条件对晶体生长形态的影响: 典型的金属凝固方式有定向凝固和自由凝固； 常见凝固条件下的凝固：以枝晶方式进行； 枝晶凝固：定向凝固、自由凝固。 定向枝晶凝固：单向热流条件下,在一定的 生长速率范围内实现。 给定GL下，随R↓： 枝晶组织可能被抑制→ 胞状晶或平面晶。 定向枝晶的特征尺寸：一次枝晶间距λ1和二次枝晶间距λ2。决定着凝固 组织中的微观偏析、亚结构及次生相分布及材料的 性能。 胞状凝固：只存在一次间距； 平面晶: 无枝晶； 等轴晶：一次、二次及更高次难以区分，通常用枝晶间距及晶粒尺寸表 征。

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枝晶形态及特征尺寸的控制:

枝晶生长形态及特征尺寸是由凝固过程中的热扩 散、溶质扩散、界面能、液相对流以及界面原子动 力学决定的，在合金成分给定之后,可通过改变凝固 过程控制参数的方法来控制。 定向凝固特征尺寸的控制参数是: 生长速率和温度梯度 而自由枝晶的控制参数是: 冷却速率和过冷度

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2. 金属凝固过程的成分过冷

(1)成分过冷判别式

k0＜1的合金，单向凝固的平界面生长达到 稳定阶段后，界面前沿形成稳定的溶质富集 层，也称：当量边界层， equivalent boundary layer, 设其厚度为：δC,

其大小与生长速度成反比的关系， 溶质浓度的变化必然导致平衡凝固点的改 变，固通过相图，可以得到溶质富集层内的 温度变化规律，即液相线温度边界层， liquid Temperature boundary,随距离的增 加，浓度富集减小（C0/k0-C0)，而温度升高 （△T0)当液相内的实际温度分布GL低于液 相线的分布TL时，即在液固界面前沿形成所 谓的成分过冷.

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形成成分过冷的条件： 成分过冷（C.S : Constitutional Supercooling): 在K0＜1 情况下 产生成分过冷的条件：

TM

T0

mL

a)

TS

C S=C0 C L*

*

CL*=C0/k0

C%

C%

b)

CL(X') C0

?TL ( x ' ) GL ? ?x '

G L mL C L ? R DL 1

CS*

x ' ?0

界面

X'

T T 1实 际

T2实际 TL(X')

K0 ?e 1 ? K0

界面

?

R ?N DL

c)

Ti

成分过 冷区

X'

这是成分过冷判别式的通式， 根据此条件可以导出液相中只有扩 散条件下的成分过冷判据。

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这个判据也适合液相无对流而只有扩散的情况，如 δ N = ∞，，代入后可得液相无对流条件下的成分过冷判据。

GL mLC0 ?1 ? k0 ? ? R DL k0

为结晶温度区间，即： 可见，结晶温度区间越宽，越容易形成成分过冷，平界面越容易被破坏

由以上的关系可见：以下的各种变化有助于成分分过冷 1）液相中温度梯度小GL↓，即较平缓的温度场； 2） 较快的生长速度R↑； 3）较大的液相线斜率mL↑； 4） 较高的合金原始成分C0↑； 5） 较低的扩散系数DL↓； 6） 较小的溶质分配系数K0↓。，

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（2）成分过冷的过冷度及过冷区宽度

求最大过冷度：任一处过冷度为：

Rx ? mLC0 ?1 ? k0 ? ? ? ?T ? Ti ? 1 ? e DL ? k0 ?

,

? ? ? T ? G x, L ? i ?