成分过冷的条件_合金凝固时生长形态_成分分析

“成分过冷”：由于凝固过程中存在溶质再分配而引起固液界面前沿的溶质富集，导致界面前沿平衡温度发生变化而引起的过冷。

“成分过冷”会影响凝固界面的宏观形貌

成分过冷必须具备两个条件：第一是固液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配；第二是固液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度必须达到一定的值。

成分过冷条件和判据

在K0<1情况下图a，T0是成分为C0的合金液的液相线温度；Ti是固相成分为C0、液相成分为C0/K0所对应的温度，它相当于“液相只有有限扩散”情况下的固液界面温度。

设在界面前沿形成一个溶质富集层图b，在界面上的液相成分C*L最大，离开界面处，液相浓度随距离x’逐渐降低；

图c中界面上相应TL（x’）为Ti。液相线温度TL（x’）随距离x’逐渐上升。

成分过冷条件：当界面沿液相的实际温度梯度GL（对应于T2实际）小于液相线的斜率时，即GL<[эTL(x’)]/ (эx’)|x’=0，则出现成分过冷。（由溶质成分富集引起的过冷）

液相只有有限扩散条件下成分过冷判据

GL/R<（mLC0/DL）[（1-K0）/K0]

有助于形成成分过冷的条件：

工艺因素：1液相中温度梯度小（GL小），即温度场不陡；

2晶体生长速度快，R大；

材料因素：

3 mL大，即陡的液相线斜率；

4原始成分浓度高，C0大；

5液相中溶质扩散系数DL低；

6K0<1时，K0小；K0>1时，K0大

过冷度

1．成分过冷对单相固溶体结晶形态影响

热过冷及其对纯金属液—固界面形态的影响

纯金属液相在正温度梯度的区域内（dT/dx>0）晶体生长的凝固界面通常为平直形态，而且是等温面（平衡结晶温度），其温度低于平衡熔点温度Tm，这种过冷正好提供凝固所必需的动力学驱动力，通常称为“动力学过冷”ΔTk。

分析图9如何维持平面推进

当界面液相一侧形成负温度梯度时：dT/dx<0，图10，纯金属界面前方获得大于ΔTk的过冷度。这种仅由熔体存在的负温度梯度所造成的过冷，习惯上称为“热过冷”，以区别于成分过冷

出现负温度梯度是由于液相本来内部具有较大过冷度，在界面向前推移结晶时发出潜热，使界面处液相温度升高而导致负温度梯度

2.“成分过冷”对合金固溶体晶体形貌的影响

凝固界面形态分为：平界面、胞状界面、树枝界面和柱状界面

在负温梯下，合金的情况与纯金属相似，合金固溶体结晶易于出现树枝晶形貌

在正温梯情况下，若：GL/R<（mLC0）/DL·（1-K0）/K0，则出现“成分过冷”

分析图12的总体规律：随成分过冷程度的增大，固溶体生长方式：平面晶-胞状晶-胞状树枝晶及柱状树枝晶-内部等轴晶（自由树枝晶）

合金固溶体凝固时的晶体生长形态

a) 不同的成分过冷情况

b) 无成分过冷 平面晶

c) 窄成分过冷区间 胞状晶

d) 成分过冷区间较宽 柱状树枝晶

e) 宽成分过冷 内部等轴晶

“成分过冷”在远离界面处大于异质形核所需过冷度时，在内部熔体中就产生新的晶核，造成“内生生长”，使得自由树枝晶在固液界面前方的熔体中出现

固溶体生长方式受两方面因素控制：工艺因素（R、GL）和合金的性质（C0、mL、K0、DL）

C0、R和mL越小，DL与GL越大，K0偏离l越远，则界面越趋于平面生长。其中，C0、R、GL为三个影响“成分过冷”程度的主要因素。

C0、R一定时，GL/R随GL的减小而降低，成分过冷程度增加，而且最大成分过冷ΔTmax在远离固液界面处，而界面处过冷最小。从而一方面阻碍原有晶体界面整体推进，另一方面一旦形成晶体突出，极易快速向前长大，并容易形成晶体侧向发展。