重庆大学 金属凝固原理 第5章 单相合金凝固.ppt

按照液态金属凝固过程中晶体形成的特点，合 金可分为单相合金和多相合金两大类。单相合金 是指在凝固过程中只析出一个固相的合金，如固 溶体、金属间化合物等。纯金属结晶析出单一成 分的单相组织，可视作单相合金凝固的特例。 多相合金是指凝固过程中同时析出两个以上新相 的合金,如具有共晶、包晶或偏晶转变的合金。 凝固过程不仅发生金属的结晶，还伴随有体积 的收缩和成分的重新分配，它决定液态成形产品 的组织和性能。本章将讨论单相合金材料凝固过 程的基本原理。 §5-1 凝固过程的溶质再分配 §5-2 成分过冷 §5-3 成分过冷与单相合金宏观生长方式 §5-1 凝固过程的溶质再分配 在凝固温度区间任一温度T时：析出固相成分CsCo 析出液相成分CLCo 为描述溶质再分配的程度，引入平衡分配系数Ko 单相合金凝固过程的溶质再分配分为： · 平衡凝固时的溶质再分配（固、液中溶质均能扩 散均匀化） · 近（准）平衡凝固时的溶质再分配（假设固相中 溶质无扩散） 液相均匀混合（有强烈对流和搅拌） 液相中只有扩散（液相中无对流） 液相部分混合（液相中既有扩散，也存在部分 对流） （非平衡凝固时的溶质再分配为博士生课程内容） 二、平衡凝固时的溶质再分配 平衡凝固指凝固速度极度缓慢，使液相和固相中的溶质 得以充分扩散均匀化。假设合金是从左向右进行单向凝固，固-液界面前沿存在正温度梯度，以K01合金为例。 ① 开始凝固 时， ， 二、平衡凝固时的溶质再分配 ② 凝固过程中任一温度（ ）时，固-液界面上成 分为： 二、平衡凝固时的溶质再分配 ③ 接近凝固终了 时， ， 二、平衡凝固时的溶质再分配 ④ 凝固终了 时： （单向凝固锭中无偏析） 三、近（准）平衡凝固时的溶质再分配 1. 固相无扩散，液相均匀混合时的溶质再分配 假设合金单向凝固，界面前沿存在正温度梯度， 为例 （1）凝固过程 ① 凝固开始 时： ， ② 凝固过程任一温度 时： ， 设固相内平均成分为 ，液相为 ，有 , 则： ③ 凝固到平衡固相线 时： ；有 , 由于 ，则 ，还有液体须继续凝固 ④ 接近凝固终了 时： 状态图中的Cs为近平衡凝固时 的固相线。 ⑤ 凝固终了 时： ，铸锭中成分不均匀， 存在微观偏析. （2）微观偏析的定量描述 设凝固过程中某一时刻，形成 的固相分数为fs(液相分数为1-fs)。 当固相增加dfs时，则排出的溶 质量为(CL-CS)dfs，使剩下的液 体[1-(fs+dfs)]的浓度升高dCL， 则有(CL-CS)dfs=[1-(fs+dfs)]dCL 假设剩下的液体很多， dfs和fs 相比，可忽略不计，有 1- fs- dfs=1-fs 上式变成(CL-CS)dfs=(1-fs)dCL （3）应用 Scheil公式可应用于以下三个方面： · 单向（定向）凝固过程铸锭中成分的变化 · 分析微观偏析（晶粒内偏析）过程成分变化 · 利用此式提纯合金 （4）适用范围 · 此定理在液相充分搅拌情况下较准确