第四章材料成形基本原理課件

1、合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一節(jié)第一節(jié) 凝固過程溶質(zhì)再分配凝固過程溶質(zhì)再分配第二節(jié)第二節(jié) 合金凝固界面前沿的成分過冷合金凝固界面前沿的成分過冷第三節(jié)第三節(jié) “ “成分過冷成分過冷”對合金單相固溶體結(jié)對合金單相固溶體結(jié)晶形態(tài)的影響晶形態(tài)的影響第四節(jié)第四節(jié) 共晶合金的凝固共晶合金的凝固合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一

2、節(jié)第一節(jié) 凝固過程溶質(zhì)再分配凝固過程溶質(zhì)再分配一、平衡凝固一、平衡凝固二、液相充分混合均勻二、液相充分混合均勻三、液相只有有限擴散三、液相只有有限擴散四、液相中部分混合（有對流作用）四、液相中部分混合（有對流作用） 以從一端開始凝固的棒狀亞共晶合金為例，分別討論在下以從一端開始凝固的棒狀亞共晶合金為例，分別討論在下述四種凝固條件下，鑄件凝固過程中溶質(zhì)的分布變化。述四種凝固條件下，鑄件凝固過程中溶質(zhì)的分布變化。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 平衡凝固是指液、固相溶質(zhì)成分完全達到平衡狀態(tài)圖對應(yīng)

3、溫度的平衡成分，平衡凝固是指液、固相溶質(zhì)成分完全達到平衡狀態(tài)圖對應(yīng)溫度的平衡成分，即固、液相中成分均能及時充分即固、液相中成分均能及時充分?jǐn)U散均勻擴散均勻。開始開始（ T=TL）時：時： CS = K0C0 CL= C0一、平衡凝固條件下的溶質(zhì)再分配一、平衡凝固條件下的溶質(zhì)再分配凝固過程凝固過程( ( T = T* ) )中，固中，固- -液界面上成分為：液界面上成分為：sCCSLLCC 固、液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)固、液相質(zhì)量分?jǐn)?shù) fs 、fL與固液相成分間關(guān)系式：與固液相成分間關(guān)系式： 1)(0LSLLSffCfCfCSSSfKCKC)1(1000 凝固終了時，固相成分均勻地為凝固終了時，固相成分均勻

4、地為: CS = C0合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、液相充分混合均勻時的溶質(zhì)再分配二、液相充分混合均勻時的溶質(zhì)再分配該情況下溶質(zhì)在固相中沒有擴散，而該情況下溶質(zhì)在固相中沒有擴散，而在液相中充分混合均勻在液相中充分混合均勻。起始凝固時與平衡凝固時相同：起始凝固時與平衡凝固時相同：C S = K 0C 0 ，C L = C 0)1(000)1 (KSSfCKC)1(00KLLfCC凝固過程中固液界面上的成凝固過程中固液界面上的成分為（分為（Scheil公式公式 ）：LssSLCdfdfCC

5、)1 ()(*因因接著凝固時由于固相中無擴散，接著凝固時由于固相中無擴散，成分沿斜線由成分沿斜線由K0C0逐漸上升。逐漸上升。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理隨著固相分?jǐn)?shù)（隨著固相分?jǐn)?shù)（fS）增加，凝固界）增加，凝固界面上固、液相中的溶質(zhì)含量均增加，面上固、液相中的溶質(zhì)含量均增加，因此已經(jīng)凝固固相的平均成分比平因此已經(jīng)凝固固相的平均成分比平衡的要低。衡的要低。當(dāng)溫度達到平衡的固相線時，勢必當(dāng)溫度達到平衡的固相線時，勢必仍保留一定的液相（杠桿原理），仍保留一定的液相（杠桿原理），甚至達到共晶溫

6、度甚至達到共晶溫度TE時仍有液相存時仍有液相存在。這些保留下來的液相在共晶溫在。這些保留下來的液相在共晶溫度下將在凝固末端形成部分共晶組度下將在凝固末端形成部分共晶組織?？?。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理11000 xeKKCCLDRL凝固凝固穩(wěn)定狀穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)階段富集階段富集層溶質(zhì)分布層溶質(zhì)分布規(guī)律（指數(shù)規(guī)律（指數(shù)衰減曲線）：衰減曲線）：三、液相只有有限擴散時的溶質(zhì)再分配三、液相只有有限擴散時的溶質(zhì)再分配凝固過程分為三個階段凝固過程分為三個階段： 最初過渡區(qū)最初過渡區(qū) 穩(wěn)定態(tài)區(qū)穩(wěn)定態(tài)區(qū)

7、最后過渡區(qū)最后過渡區(qū) 當(dāng)當(dāng) 時，時，CL(x)C0降到降到:稱為溶質(zhì)富集層的稱為溶質(zhì)富集層的“特征距離特征距離”。RDxLeKC1)11(00X 特征距離特征距離合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理曲線的形狀受凝固速度曲線的形狀受凝固速度R、溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)、溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)DL、分配、分配常數(shù)常數(shù)K0影響，影響，R越大，越大，DL越小，越小，K0越小，則在固越小，則在固-液界面前沿液界面前沿溶質(zhì)富集越嚴(yán)重，曲線越陡峭。溶質(zhì)富集越嚴(yán)重，曲線越陡峭。 另外，最初過渡區(qū)的長度取決于另外，

8、最初過渡區(qū)的長度取決于K0、R、DL的值，的值，K0越大、越大、R越大或越大或DL越小，則最初過渡區(qū)越短；最后過渡區(qū)長度比最初越小，則最初過渡區(qū)越短；最后過渡區(qū)長度比最初過渡區(qū)的要小得多，與溶質(zhì)富集層的過渡區(qū)的要小得多，與溶質(zhì)富集層的“特征距離特征距離”的數(shù)量級相的數(shù)量級相同。同。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理四、四、液相中部分混合液相中部分混合時的溶質(zhì)再分配時的溶質(zhì)再分配 在部分混合情況下，固在部分混合情況下，固-液界面處的液相中存在一擴散邊界液界面處的液相中存在一擴散邊界層，在層，在

9、邊界層內(nèi)只靠擴散傳質(zhì)邊界層內(nèi)只靠擴散傳質(zhì)（靜止無對流），在（靜止無對流），在邊界層以外邊界層以外的液相因有對流作用的液相因有對流作用成分得以保持均一成分得以保持均一。 液相充分大時邊界層寬度液相充分大時邊界層寬度 N 內(nèi)任意一點內(nèi)任意一點x液相成分液相成分 ：當(dāng)液相不是充分大當(dāng)液相不是充分大 時：時：NLLDRXDRLLeeCCCC11100NLDRXDRLLLLeeCCCC111液相部分混合達穩(wěn)態(tài)時液相部分混合達穩(wěn)態(tài)時C*s及及C*L值：值：NLDRLeKKCC)1(000NLDRSeKKKCC)1(0000合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十

10、一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理令令 為有效分配系數(shù)，為有效分配系數(shù)， KE 與與K0 的關(guān)系：的關(guān)系：0CCKSENLDREeKKKK)1(000 KE = K0 ：發(fā)生在：發(fā)生在 1 時（見式時（見式4-6），即慢生長速度和最大），即慢生長速度和最大的攪動對流，的攪動對流，N 很小時，這相當(dāng)于前面討論的液相完全混合的情況。很小時，這相當(dāng)于前面討論的液相完全混合的情況。 KE =1：發(fā)生在：發(fā)生在 1 時，即快生長速度凝固、或沒有任何對流，時，即快生長速度凝固、或沒有任何對流，N 很大的情況，這相當(dāng)于液相只有擴散時的情況。很大的情況，這相當(dāng)于液相只有擴散時的情況。 K0K

11、E1：相當(dāng)于液相部分混合：相當(dāng)于液相部分混合(有對流有對流)的情況，工程中常在該范圍。的情況，工程中常在該范圍。 四種單向凝固條件下的溶質(zhì)分布情況示意圖。四種單向凝固條件下的溶質(zhì)分布情況示意圖。LNDRLNDR合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二節(jié)第二節(jié) 合金凝固界面前沿的成分過冷合金凝固界面前沿的成分過冷一、一、“成分過冷成分過冷”條件和判據(jù)條件和判據(jù)二、二、“成分過冷成分過冷”的過冷度的過冷度合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級

12、規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、一、“成分過冷成分過冷”條件和判據(jù)條件和判據(jù) “成分過冷成分過冷”的形成條件的形成條件分析分析 （K01 情況下情況下) ： 界面前沿形成溶質(zhì)富集層界面前沿形成溶質(zhì)富集層 液相線溫度液相線溫度TL(x)隨隨x增大上升增大上升 當(dāng)當(dāng)GL（界面前沿液相的實際溫度梯度）（界面前沿液相的實際溫度梯度）小于液相線的斜率時，即小于液相線的斜率時，即: 出現(xiàn)出現(xiàn)“成分過冷成分過冷” 。a)C%CL*=C0/k0CS=C0mLTSTMCL(X)b)XXC0CL*CS*Ti界面界面c)C%T成分過冷 區(qū)T2實 際T1實 際TL(X)0)(xLLxxTG00011) (

13、xDRLmLLeKKCmTxT合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理液相中只有有限擴散時形成液相中只有有限擴散時形成“成分過冷成分過冷”的判的判據(jù)據(jù)液相部分混合時形成液相部分混合時形成“成分過冷成分過冷”的判據(jù)的判據(jù) 000L)1 (RG KKDCmLLNLDRLLLeKKDCm00L11RG 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 由判據(jù)由判據(jù) 可見，下列條件有助于形成可見，下列條件有助于形成“成分

14、過冷成分過冷”： 液相中溫度梯度小（液相中溫度梯度?。℅ L?。?；?。?； 晶體生長速度快，晶體生長速度快，R大；大； m L大，即陡的液相線斜率；大，即陡的液相線斜率； 原始成分濃度高，原始成分濃度高，C 0大；大； 液相中溶質(zhì)擴散系數(shù)液相中溶質(zhì)擴散系數(shù) D L低；低； K 01 時，時，K 0 ??；??；K 01 時，時，K 0 大大000L)1 (RG KKDCmLL工藝因素工藝因素材料因素材料因素合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、二、“成分過冷成分過冷”的過冷度的過冷度 以液相只有擴散

15、的情況為例：以液相只有擴散的情況為例： “成分過冷成分過冷”區(qū)的最大過冷度：區(qū)的最大過冷度：“成分過冷成分過冷”出現(xiàn)的區(qū)域?qū)挾龋撼霈F(xiàn)的區(qū)域?qū)挾龋?)1 (ln1 )1 (000000maxKDGKCmRRDGKKCmTLLLLLL20020)1(22XRkCmGDkRDLLL合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第三節(jié)第三節(jié) “成分過冷成分過冷”對合金單相固溶體對合金單相固溶體結(jié)晶形態(tài)的影響結(jié)晶形態(tài)的影響一、熱過冷及其對純金屬液固界面形態(tài)的影響一、熱過冷及其對純金屬液固界面形態(tài)的影響二、二、“成分

16、過冷成分過冷”對合金固溶體晶體形貌的影響規(guī)律對合金固溶體晶體形貌的影響規(guī)律三、成分過冷作用下的胞狀組織的形成及其形貌三、成分過冷作用下的胞狀組織的形成及其形貌四、較寬成分過冷作用下的枝晶生長四、較寬成分過冷作用下的枝晶生長五、自由樹枝晶的生長五、自由樹枝晶的生長六、枝晶間距六、枝晶間距合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、熱過冷及其對純金屬液固界面形態(tài)的影響一、熱過冷及其對純金屬液固界面形態(tài)的影響純金屬液相在正溫度梯度的區(qū)域內(nèi)晶體生長的凝固界面通純金屬液相在正溫度梯度的區(qū)域內(nèi)晶體生長的凝固界面

17、通常為平直形態(tài)，其溫度低于平衡熔點溫度常為平直形態(tài)，其溫度低于平衡熔點溫度Tm，過冷度，過冷度Tk 提供凝固所必須的動力學(xué)驅(qū)動力，稱為提供凝固所必須的動力學(xué)驅(qū)動力，稱為“動力學(xué)過冷動力學(xué)過冷” 。 TkTm界 面LSGLGS 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理當(dāng)界面液相一側(cè)形成負(fù)溫度梯度時純金屬界面前方獲得大于當(dāng)界面液相一側(cè)形成負(fù)溫度梯度時純金屬界面前方獲得大于T k 的過冷度。這種僅由熔體存在的負(fù)溫度梯度所造成的過的過冷度。這種僅由熔體存在的負(fù)溫度梯度所造成的過冷稱為冷稱為“熱過冷熱過冷”

18、。純金屬在負(fù)溫度梯度下可發(fā)展為樹枝晶。純金屬在負(fù)溫度梯度下可發(fā)展為樹枝晶。界面 T m - T kLSGLGS 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、二、“成分過冷成分過冷”對合金固溶體晶體形貌的影響規(guī)對合金固溶體晶體形貌的影響規(guī)律律隨隨“成分過冷成分過冷”程度增大，固程度增大，固溶體生長方式：溶體生長方式： 平面晶平面晶 胞狀晶胞狀晶 胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶(柱狀樹枝晶柱狀樹枝晶) 內(nèi)部等軸晶內(nèi)部等軸晶(自由樹枝晶自由樹枝晶) 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制

19、作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理GL/R值保持不變值保持不變（相對較小時）（相對較小時）鑄造生產(chǎn)中常使用的晶體形貌控制圖鑄造生產(chǎn)中常使用的晶體形貌控制圖適合生產(chǎn)單晶渦輪葉適合生產(chǎn)單晶渦輪葉片的凝固條件區(qū)域片的凝固條件區(qū)域急冷凝固條件區(qū)域急冷凝固條件區(qū)域（kE將趨近于1）常規(guī)鑄造中，固相生常規(guī)鑄造中，固相生長條件隨時間的變化長條件隨時間的變化GL/R值保持不變值保持不變（相對較大時）（相對較大時）合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、成分過冷作用下的胞狀組織

20、的形成及其形貌三、成分過冷作用下的胞狀組織的形成及其形貌胞狀界面的成分過冷區(qū)的寬度約在胞狀界面的成分過冷區(qū)的寬度約在0.0l一一0.1cm之間，隨著成分過之間，隨著成分過冷的增大，發(fā)生：冷的增大，發(fā)生： 溝溝 槽槽不規(guī)則的胞狀界面不規(guī)則的胞狀界面狹長的胞狀界面狹長的胞狀界面規(guī)則胞狀態(tài)規(guī)則胞狀態(tài)胞狀晶的生長方向垂直于固胞狀晶的生長方向垂直于固-液界面（與熱流相反與晶體學(xué)液界面（與熱流相反與晶體學(xué)取向無關(guān)）。取向無關(guān)）。胞狀晶可認(rèn)為是一種亞結(jié)構(gòu)胞狀晶可認(rèn)為是一種亞結(jié)構(gòu)。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基

21、本原理四、較寬成分過冷作用下的枝晶生長四、較寬成分過冷作用下的枝晶生長 隨界面前成分過冷區(qū)逐漸加寬隨界面前成分過冷區(qū)逐漸加寬胞晶凸起伸向熔體更遠處胞晶凸起伸向熔體更遠處胞狀晶擇優(yōu)方向生長胞狀晶擇優(yōu)方向生長胞狀晶的橫斷面出現(xiàn)凸緣胞狀晶的橫斷面出現(xiàn)凸緣短小的鋸齒狀短小的鋸齒狀“二次枝晶二次枝晶” （胞狀樹枝晶）（胞狀樹枝晶）在成分過冷區(qū)足夠大時，二次枝在成分過冷區(qū)足夠大時，二次枝晶上長出晶上長出“三次枝晶三次枝晶” （動畫）（動畫）合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理五、自由樹枝晶的生長五、自由樹枝

22、晶的生長1、自由樹枝晶形成條件、自由樹枝晶形成條件2、為什么成為樹枝晶的形態(tài)、為什么成為樹枝晶的形態(tài)3、“外生生長外生生長”與與“內(nèi)生生長內(nèi)生生長”的概念的概念合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、自由樹枝晶形成條件、自由樹枝晶形成條件界面前成分過冷的極大值大于熔體中非均界面前成分過冷的極大值大于熔體中非均質(zhì)形核所需的過冷度時，質(zhì)形核所需的過冷度時，在柱狀枝晶生長在柱狀枝晶生長的同時，前方的同時，前方熔體內(nèi)發(fā)生非均質(zhì)形核熔體內(nèi)發(fā)生非均質(zhì)形核過程，過程，并在過冷熔體中的自由生長，形成了方向并在過

23、冷熔體中的自由生長，形成了方向各異的等軸晶（各異的等軸晶（自由樹枝晶自由樹枝晶）。）。 等軸枝晶的存在阻止了柱等軸枝晶的存在阻止了柱狀晶區(qū)的單向延伸，此后的狀晶區(qū)的單向延伸，此后的結(jié)晶過程便是等軸晶區(qū)不斷結(jié)晶過程便是等軸晶區(qū)不斷向液體內(nèi)部推進的過程向液體內(nèi)部推進的過程。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理2、為什么成為樹枝晶的形態(tài)、為什么成為樹枝晶的形態(tài)晶體的表面總是由界面能較小的晶面組成，寬而平的面晶體的表面總是由界面能較小的晶面組成，寬而平的面是界面能小的晶面，而棱與角的狹面為界面能大的晶面

24、。是界面能小的晶面，而棱與角的狹面為界面能大的晶面。界面能大的晶面（垂直）生長速度較快，長成界面能大的晶面（垂直）生長速度較快，長成等軸樹枝等軸樹枝晶晶。方向性較強的非金屬晶體，其平衡態(tài)的晶體形貌具有清方向性較強的非金屬晶體，其平衡態(tài)的晶體形貌具有清晰的多面體結(jié)構(gòu)；方向性較弱的金屬晶體，其平衡態(tài)近晰的多面體結(jié)構(gòu)；方向性較弱的金屬晶體，其平衡態(tài)近乎球形乎球形 。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理3、“外生生長外生生長”與與“內(nèi)生生長內(nèi)生生長”的概念的概念晶體自型壁生核，然后由外向內(nèi)單向延伸的生晶

25、體自型壁生核，然后由外向內(nèi)單向延伸的生長方式，稱為長方式，稱為“外生生長外生生長”。平面生長、胞狀生長和柱狀枝晶生長皆屬于外平面生長、胞狀生長和柱狀枝晶生長皆屬于外生生長。生生長。等軸枝晶在熔體內(nèi)部自由生長的方式則稱為等軸枝晶在熔體內(nèi)部自由生長的方式則稱為“內(nèi)生生長內(nèi)生生長”。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理六、枝晶間距六、枝晶間距枝晶間距：指相鄰?fù)沃чg的垂直距離。枝晶間距：指相鄰?fù)沃чg的垂直距離。它是樹枝晶組它是樹枝晶組織細化程度的表征。實際中，枝晶間距采用金相法測得統(tǒng)織細化程度的

26、表征。實際中，枝晶間距采用金相法測得統(tǒng)計平均值，通常采用的有一次枝晶（柱狀晶主干）間距計平均值，通常采用的有一次枝晶（柱狀晶主干）間距d1、和二次分枝間距和二次分枝間距 d2 兩種。兩種。材料性能好材料性能好熱裂紋傾向小熱裂紋傾向小且分散且分散顯微縮松、夾雜物細小顯微縮松、夾雜物細小成分趨于均勻化成分趨于均勻化細晶強化效果顯著細晶強化效果顯著枝晶間距小枝晶間距小合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 枝晶間距的預(yù)測枝晶間距的預(yù)測一次臂間距一次臂間距d1的表達式：的表達式： 二次臂枝晶間距二次臂枝晶

27、間距d2的表達式：的表達式： 210001)1(RGDKCmadLLL2141)1(6401LLLGRCKDmd岡本平岡本平 Hunt J.D R與與GL的乘積相當(dāng)于冷卻速度（的乘積相當(dāng)于冷卻速度（oC/sec）。）。冷卻速度大，二次臂枝晶間距冷卻速度大，二次臂枝晶間距d2越小越小。微量變質(zhì)元素（如稀土）影響合金微量變質(zhì)元素（如稀土）影響合金CL、k0、slsl，也可使二次臂枝晶間距，也可使二次臂枝晶間距d2減小。減小。31)(2LSGRTAdTS 非平衡凝固的溫度區(qū)間，非平衡凝固的溫度區(qū)間，A 與合金性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)與合金性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工

28、程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第四節(jié)第四節(jié) 共晶合金的凝固共晶合金的凝固 大部分合金存在著兩個或兩個以上的相，多相大部分合金存在著兩個或兩個以上的相，多相合金的凝固比單相固溶體的凝固情況復(fù)雜。本節(jié)合金的凝固比單相固溶體的凝固情況復(fù)雜。本節(jié)討論最為普遍的共晶合金凝固方式及組織。討論最為普遍的共晶合金凝固方式及組織。一、一、 共晶組織的分類及特點共晶組織的分類及特點二、二、 共晶組織的形成機理共晶組織的形成機理合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、共

29、晶組織的分類及特點一、共晶組織的分類及特點（一）（一） 規(guī)則共晶與非規(guī)則共晶規(guī)則共晶與非規(guī)則共晶（二）（二） 非平衡狀態(tài)下的共晶共生區(qū)非平衡狀態(tài)下的共晶共生區(qū)（三）（三） 離異生長及離異共晶離異生長及離異共晶合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（一）（一） 規(guī)則共晶與非規(guī)則共晶規(guī)則共晶與非規(guī)則共晶規(guī)則共晶：規(guī)則共晶：金屬金屬金屬，金屬，如如: Pb-Sn ，Ag-Cu層片狀共晶層片狀共晶 金屬金屬金屬間化合物金屬間化合物，如如: Al-AlAl-Al3 3NiNi棒狀共晶棒狀共晶 非規(guī)則非規(guī)則共

30、晶共晶金屬金屬非金屬，非金屬，如如: Fe-C , Al-Si 共晶共晶非金屬非金屬非金屬，非金屬，如如: 琥珀睛琥珀睛-茨醇共晶茨醇共晶 粗糙粗糙界面粗糙粗糙界面粗糙粗糙光滑界面光滑界面光滑光滑光滑界面光滑界面合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理粗糙粗糙- -粗糙界面（非小晶面粗糙界面（非小晶面- -非小晶面）共晶非小晶面）共晶金屬金屬-金屬金屬共晶及共晶及金屬金屬-金屬間化合物金屬間化合物共晶多為第共晶多為第類共晶，類共晶，其典型的顯微形態(tài)是其典型的顯微形態(tài)是有規(guī)則的層片狀有規(guī)則的層片狀，或

31、其中，或其中有一相為棒有一相為棒狀狀，因此稱為，因此稱為“規(guī)則共晶規(guī)則共晶”。規(guī)則共晶長大時，兩相彼此緊密相連，相互依賴生長，兩規(guī)則共晶長大時，兩相彼此緊密相連，相互依賴生長，兩相前方的液體區(qū)域中存在溶質(zhì)的運動。這種長大方式稱之相前方的液體區(qū)域中存在溶質(zhì)的運動。這種長大方式稱之為為“共生生長共生生長”。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理圖圖4-23 Pb-Sn層片狀共晶層片狀共晶平行于凝固方向平行于凝固方向垂直于凝固方向垂直于凝固方向合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程

32、學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理粗糙粗糙-光滑界面（非小晶面光滑界面（非小晶面-小晶面）共晶小晶面）共晶 金屬金屬-非金屬共晶屬于第非金屬共晶屬于第類共晶體，長大過程往類共晶體，長大過程往往仍是相互偶合的往仍是相互偶合的“共生共生”長大長大，但由于小晶面相，但由于小晶面相（非金屬相）晶體長大具有強烈的方向性，且對凝（非金屬相）晶體長大具有強烈的方向性，且對凝固條件（如雜質(zhì)元素或變質(zhì)元素）十分敏感，容易固條件（如雜質(zhì)元素或變質(zhì)元素）十分敏感，容易發(fā)生彎曲和分枝，所得到的組織較為無規(guī)則，屬于發(fā)生彎曲和分枝，所得到的組織較為無規(guī)則，屬于“不規(guī)則共晶不規(guī)則共

33、晶”。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理Al-Si共晶合金組織長大過程的數(shù)值模擬共晶合金組織長大過程的數(shù)值模擬 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理光滑光滑-光滑界面（小晶面光滑界面（小晶面-小晶面）共晶小晶面）共晶非金屬非金屬-非金屬屬于第非金屬屬于第類共晶體，長大過程不再是偶合的。所得類共晶體，長大過程不再是偶合的。所得到的組織為兩相的不規(guī)則混合物，也屬于到的組織為兩相的不規(guī)則混合物，也屬于

34、“不規(guī)則共晶不規(guī)則共晶”。 圖4-26 兩相非偶合生長形成不規(guī)則共晶 規(guī)則共晶體 a) 琥珀睛-茨醇共晶 , b) 偶氮苯-苯偶酰共晶, c) 四溴化碳-六氯乙烷 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 根據(jù)平衡相圖，共晶反根據(jù)平衡相圖，共晶反應(yīng)只發(fā)生在一個固定的成應(yīng)只發(fā)生在一個固定的成分，任何偏離這一成分的分，任何偏離這一成分的合金凝固后都不能獲得合金凝固后都不能獲得100100的共晶組織。如的共晶組織。如Pb-Pb-SnSn合金在平衡凝固時，只合金在平衡凝固時，只有有Pb-61.9SnPb-6

35、1.9Sn的共晶合金的共晶合金才能獲得才能獲得100100共晶組織。共晶組織。（二）（二） 非平衡狀態(tài)下的共晶共生區(qū)非平衡狀態(tài)下的共晶共生區(qū)非平衡凝固過程，由于非平衡凝固過程，由于共晶生長動力學(xué)因素的共晶生長動力學(xué)因素的影響，共晶組織有以下影響，共晶組織有以下三種情況：三種情況： 1) 共晶成分的合金共晶成分的合金，在在冷速較快冷速較快時，時， 不一定不一定能得到能得到100的共晶組織，的共晶組織，而是得到而是得到亞共晶或過共亞共晶或過共晶晶；2）有些）有些非共晶成分的合非共晶成分的合金金在在冷速較快冷速較快時可以在時可以在TE以下溫度得到以下溫度得到100的共晶的共晶組織，該區(qū)域稱組織，該區(qū)

36、域稱之為之為共生區(qū)共生區(qū)（圖中陰影（圖中陰影區(qū)）區(qū)） ；3）有些）有些非共晶成分的合金非共晶成分的合金，在在一定冷速一定冷速下，既不出現(xiàn)下，既不出現(xiàn)100的共晶組織，也不出的共晶組織，也不出現(xiàn)初晶現(xiàn)初晶+共晶的情況，而是共晶的情況，而是出現(xiàn)出現(xiàn)“離異共晶離異共晶”。共晶凝固合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1 1、“對稱型共生區(qū)對稱型共生區(qū)” ” 2 2、“非對稱型共生區(qū)非對稱型共生區(qū)”3 3、共生區(qū)的概念的意義、共生區(qū)的概念的意義合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)

37、院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、“對稱型共生區(qū)對稱型共生區(qū)”兩個組元熔點相近、兩條兩個組元熔點相近、兩條液相線基本對稱、兩相長液相線基本對稱、兩相長大速度基本相同的非小晶大速度基本相同的非小晶面面-非小晶面合金，容易形非小晶面合金，容易形成對稱型共生區(qū)。成對稱型共生區(qū)。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理2、“非對稱型共生區(qū)非對稱型共生區(qū)” 當(dāng)兩個組元熔點相差較大，當(dāng)兩個組元熔點相差較大，兩條液相線不對稱時，共晶點往兩條液相線不對稱時，共晶點往往偏

38、向于低熔點組元一側(cè)，而共往偏向于低熔點組元一側(cè)，而共生區(qū)則由共晶點向高熔點組元一生區(qū)則由共晶點向高熔點組元一側(cè)傾斜。側(cè)傾斜。原因：由于濃度起伏和擴散的原因：由于濃度起伏和擴散的原因，共晶成分附近的低熔點原因，共晶成分附近的低熔點相在非平衡結(jié)晶條件下較高熔相在非平衡結(jié)晶條件下較高熔點相更易于析出，其生長速度點相更易于析出，其生長速度也更快。因此結(jié)晶時往往容易也更快。因此結(jié)晶時往往容易出現(xiàn)低熔點組元一側(cè)的初生相。出現(xiàn)低熔點組元一側(cè)的初生相。為了滿足共生生長所需的基本為了滿足共生生長所需的基本條件，就需要合金液在含有更條件，就需要合金液在含有更多高熔點組元成分的條件下進多高熔點組元成分的條件下進行共

39、晶轉(zhuǎn)變。行共晶轉(zhuǎn)變。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理3、共生區(qū)的概念的意義、共生區(qū)的概念的意義 把平衡相圖概念和不平衡共晶結(jié)晶動力學(xué)過程聯(lián)系了把平衡相圖概念和不平衡共晶結(jié)晶動力學(xué)過程聯(lián)系了起來；起來； 可以滿意地解釋非平衡結(jié)晶現(xiàn)象：如非共晶成分的合金可以滿意地解釋非平衡結(jié)晶現(xiàn)象：如非共晶成分的合金可以結(jié)晶成可以結(jié)晶成100的共晶組織，而共晶成分的合金結(jié)晶時反的共晶組織，而共晶成分的合金結(jié)晶時反而得不到而得不到100共晶組織；共晶組織； 有助于對共生生長和離異生長這兩種不同共晶方式作進一有助于

40、對共生生長和離異生長這兩種不同共晶方式作進一步分析和探討。步分析和探討。 共生區(qū)的概念與平衡圖并不矛盾，在無限緩慢的冷卻條件共生區(qū)的概念與平衡圖并不矛盾，在無限緩慢的冷卻條件下，共生區(qū)退縮到共晶點下，共生區(qū)退縮到共晶點E，合金液即按平衡相圖所示的規(guī)律，合金液即按平衡相圖所示的規(guī)律進行結(jié)晶。進行結(jié)晶。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（三）（三） 離異生長及離異共晶離異生長及離異共晶1 1、離異生長與離異共晶的概念、離異生長與離異共晶的概念 2. 2. 晶間偏析型離異共晶的形成晶間偏析型離異共晶

41、的形成3 3、“暈圈暈圈”離異共晶形成離異共晶形成合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、離異生長與離異共晶的概念、離異生長與離異共晶的概念 在共晶轉(zhuǎn)變中也存在著合金液不能進入共生區(qū)的情況：在共晶轉(zhuǎn)變中也存在著合金液不能進入共生區(qū)的情況：共晶兩相共晶兩相沒有共同的生長界面沒有共同的生長界面，它們各自以不同的速，它們各自以不同的速度獨立生長，即度獨立生長，即兩相的析出在時間上和空間上都是兩相的析出在時間上和空間上都是彼此分離的彼此分離的，因而形成的組織沒有共生共晶的特征。，因而形成的組織沒有共生共

42、晶的特征。這種非共生生長的共晶結(jié)晶方式稱為離異生長，所形成這種非共生生長的共晶結(jié)晶方式稱為離異生長，所形成的組織稱離異共晶。的組織稱離異共晶。離異共晶分離異共晶分“晶間偏析型晶間偏析型”和和“暈圈型暈圈型”兩種類型。兩種類型。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理2、“晶間偏析型晶間偏析型”離異共晶離異共晶由系統(tǒng)本身的原因所引起由系統(tǒng)本身的原因所引起：如果合：如果合金成分偏離共晶點很遠，初晶相長金成分偏離共晶點很遠，初晶相長得很大，共晶成分的殘留液體很少，得很大，共晶成分的殘留液體很少，類似于薄膜

43、分布于枝晶之間。當(dāng)共類似于薄膜分布于枝晶之間。當(dāng)共晶轉(zhuǎn)變時，一相就在初晶相的枝晶晶轉(zhuǎn)變時，一相就在初晶相的枝晶上繼續(xù)長出，面把另一相單獨留在上繼續(xù)長出，面把另一相單獨留在枝晶間。枝晶間。由另一相的生核困難所引起由另一相的生核困難所引起：合金：合金偏離共晶成分，初晶相長得較大，偏離共晶成分，初晶相長得較大，如另一相不能以初生相為襯底而生如另一相不能以初生相為襯底而生核，或因液體過冷傾向大使該相析核，或因液體過冷傾向大使該相析出受阻時，初生相就繼續(xù)長大而把出受阻時，初生相就繼續(xù)長大而把另一相留在枝晶間。另一相留在枝晶間。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教

44、育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理3、“暈圈型暈圈型”離異共晶形成離異共晶形成 兩相性質(zhì)差別較大的非小晶面兩相性質(zhì)差別較大的非小晶面小晶面共晶合金中能更經(jīng)小晶面共晶合金中能更經(jīng)常地見到這種暈圈組織。由于兩相在生核能力和生長速度常地見到這種暈圈組織。由于兩相在生核能力和生長速度上的差別，第二相環(huán)繞著領(lǐng)先相表面生長而形成一種鑲邊上的差別，第二相環(huán)繞著領(lǐng)先相表面生長而形成一種鑲邊外圍層的情況，此外圍層稱為外圍層的情況，此外圍層稱為“暈圈暈圈”。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原

45、理封閉型圈暈封閉型圈暈 如果領(lǐng)先相的固如果領(lǐng)先相的固-液界面全部是慢液界面全部是慢生長面，會被快速生長的第二相暈圈生長面，會被快速生長的第二相暈圈所封閉，則兩相與熔體之間就沒有共所封閉，則兩相與熔體之間就沒有共同的生長界面，而只有形成暈圈的第同的生長界面，而只有形成暈圈的第二相與熔體相接觸，所以原先的領(lǐng)先二相與熔體相接觸，所以原先的領(lǐng)先相只能依靠原子通過暈圈的擴散進行，相只能依靠原子通過暈圈的擴散進行，最后形成領(lǐng)先相呈球團狀結(jié)構(gòu)的離異最后形成領(lǐng)先相呈球團狀結(jié)構(gòu)的離異共晶組織。球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變是其共晶組織。球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變是其典例。典例。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)

46、與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 如果領(lǐng)先相的如果領(lǐng)先相的固固液界面是各液界面是各向異性向異性的，第二相只能將其慢生的，第二相只能將其慢生長面包圍住，而其長面包圍住，而其快生長面仍能快生長面仍能突破暈圈的包圍突破暈圈的包圍并與熔體相接觸，并與熔體相接觸，則暈圈是不完整的。這時兩相仍則暈圈是不完整的。這時兩相仍能組成共同的生長界面而以能組成共同的生長界面而以共生共生方式進行偶合結(jié)晶方式進行偶合結(jié)晶?；诣T鐵中的?；诣T鐵中的片狀石墨與奧氏體的共生生長則片狀石墨與奧氏體的共生生長則屬此類。屬此類。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)

47、與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、二、 共晶組織的形成機理共晶組織的形成機理（一）（一） 非小晶面非小晶面 非小晶面非小晶面 共生共晶的形成共生共晶的形成（二）（二） 非小晶面非小晶面 小晶面小晶面 共晶合金的結(jié)晶共晶合金的結(jié)晶合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（一）非小晶面（一）非小晶面非小晶面共生共晶的形成非小晶面共生共晶的形成 層片狀共晶組織的形核及長大層片狀共晶組織的形核及長大 棒狀共晶生長棒狀共晶生長合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制

48、作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理層片狀共晶組織的形核及長大層片狀共晶組織的形核及長大 層片狀共晶組織是最常見的一類非小晶面一非小晶面共層片狀共晶組織是最常見的一類非小晶面一非小晶面共生共晶組織?，F(xiàn)以球狀共晶團為例，討論層片狀共晶組織生共晶組織?，F(xiàn)以球狀共晶團為例，討論層片狀共晶組織的形成過程。的形成過程。1 1、層片狀共晶生核過程及、層片狀共晶生核過程及“搭橋搭橋”方式方式2 2、共生過程的協(xié)同生長、共生過程的協(xié)同生長3 3、片層距的調(diào)整、片層距的調(diào)整4 4、胞狀、樹枝狀共晶的形成、胞狀、樹枝狀共晶的形成合肥工業(yè)大學(xué)材料科

49、學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理共晶團的形成共晶團的形成 相固溶體在相固溶體在相球面上的析出相球面上的析出 領(lǐng)先相富領(lǐng)先相富A組元的組元的固溶體小球析出固溶體小球析出 界面前沿界面前沿B組元原子的不斷富集組元原子的不斷富集 向前方及側(cè)面的熔體中排出向前方及側(cè)面的熔體中排出A組元原子組元原子 相依附于相依附于相的側(cè)面長出分枝相的側(cè)面長出分枝 相沿著相沿著相的球面與側(cè)面迅速鋪展相的球面與側(cè)面迅速鋪展 交替進行交替進行 形成具有兩相沿著徑向并排生長的球形共生界面雙相核心形成具有兩相沿著徑向并排生長的球形共生界面雙相

50、核心合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理“搭橋搭橋”方式方式：領(lǐng)先相表面一旦出現(xiàn)第二相，則可通過這：領(lǐng)先相表面一旦出現(xiàn)第二相，則可通過這種彼此依附、交替生長的方式產(chǎn)生新的層片來構(gòu)成所需的種彼此依附、交替生長的方式產(chǎn)生新的層片來構(gòu)成所需的共生界面，而不需要每個層片重新生核。共生界面，而不需要每個層片重新生核。層片狀共晶的兩種形核、長大方式示意圖。層片狀共晶的兩種形核、長大方式示意圖。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本

51、原理材料成形基本原理2、共生過程的協(xié)同生長、共生過程的協(xié)同生長非小晶面向前生長不取決于晶體的性質(zhì)，只取決于熱流方非小晶面向前生長不取決于晶體的性質(zhì)，只取決于熱流方向及原子擴散。向及原子擴散。 共生協(xié)同生長共生協(xié)同生長 共晶的兩相各向其界面前沿排出另一組元的原子，共晶的兩相各向其界面前沿排出另一組元的原子， 相前相前沿富沿富B，而，而相前沿富相前沿富A ，由于擴散速度正比于溶質(zhì)的濃度梯，由于擴散速度正比于溶質(zhì)的濃度梯度，因此橫向擴散速度比縱向大的多。度，因此橫向擴散速度比縱向大的多。共晶兩相通過橫向擴散不斷排走界面前沿積累的溶質(zhì)，且又互共晶兩相通過橫向擴散不斷排走界面前沿積累的溶質(zhì)，且又互相提供

52、生長所需的組元，彼此合作，齊頭并進地快速向前生長。相提供生長所需的組元，彼此合作，齊頭并進地快速向前生長。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理3、片層距的調(diào)整、片層距的調(diào)整此處此處B原子聚集而濃度升高原子聚集而濃度升高 相在此處推進的速度變慢相在此處推進的速度變慢 形成凹坑形成凹坑 B原子擴散越發(fā)困難原子擴散越發(fā)困難 新的新的相片層則在此處形成，相片層則在此處形成， 凝固速度越快，相應(yīng)的片層距就會越小。凝固速度越快，相應(yīng)的片層距就會越小。21Rk 相片層中心處相片層中心處B原子擴散比原子擴散比-

53、交界要困難得多交界要困難得多合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理4、胞狀、樹枝狀共晶的形成（第三組元的影響）、胞狀、樹枝狀共晶的形成（第三組元的影響）A、B兩相每相排出第三組元的原子兩相每相排出第三組元的原子無法橫向擴散，只能向液體內(nèi)部擴散無法橫向擴散，只能向液體內(nèi)部擴散形成富集層（達到幾百個層片厚度數(shù)量級）形成富集層（達到幾百個層片厚度數(shù)量級）在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下 (如如GL較小、較小、R較大時較大時)，界面前方液體產(chǎn)生成分過冷界面前方液體產(chǎn)生成分過冷導(dǎo)致界面形態(tài)的改變，形成胞

54、狀界面導(dǎo)致界面形態(tài)的改變，形成胞狀界面 當(dāng)當(dāng)?shù)谌M元濃度較大第三組元濃度較大，或在，或在更大的更大的凝固速度凝固速度下，成分過冷進一步擴大，下，成分過冷進一步擴大，胞狀共晶胞狀共晶將發(fā)展為將發(fā)展為樹枝狀共晶組織樹枝狀共晶組織，甚至還會導(dǎo)致共晶合金甚至還會導(dǎo)致共晶合金自外生生長到自外生生長到內(nèi)生生長的轉(zhuǎn)變內(nèi)生生長的轉(zhuǎn)變。一種透明有機物的凝固前沿一種透明有機物的凝固前沿合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理棒狀共晶生長棒狀共晶生長形成棒狀共晶的一般條件：形成棒狀共晶的一般條件： 如果一相的體積分?jǐn)?shù)小于

55、如果一相的體積分?jǐn)?shù)小于1時，該相將以棒狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)；時，該相將以棒狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)； 如果體積分?jǐn)?shù)在如果體積分?jǐn)?shù)在 1/ 之間之間時，兩相均以片狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。時，兩相均以片狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。 棒狀共晶：該組織中一個組成相以棒狀或纖維狀形棒狀共晶：該組織中一個組成相以棒狀或纖維狀形態(tài)沿著生長方向規(guī)則地分布在另一相的連續(xù)基體中。態(tài)沿著生長方向規(guī)則地分布在另一相的連續(xù)基體中。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第三組元的影響第三組元的影響如果第三組元在兩相中的平衡分配系數(shù)相差較大，則可能如果第三組元在兩相中的平衡分配

56、系數(shù)相差較大，則可能出現(xiàn)第三組元僅引起一個組成相產(chǎn)生成分過冷。產(chǎn)生成分出現(xiàn)第三組元僅引起一個組成相產(chǎn)生成分過冷。產(chǎn)生成分過冷相的層片在生長過程中將會越過另一相層片的界面而過冷相的層片在生長過程中將會越過另一相層片的界面而伸入液相中，通過搭橋作用，伸入液相中，通過搭橋作用，落后的一相將被生長落后的一相將被生長快的一相割成篩網(wǎng)狀，快的一相割成篩網(wǎng)狀，并最終發(fā)展成棒狀組并最終發(fā)展成棒狀組織?？?。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）非小晶面（二）非小晶面小晶面共晶合金的結(jié)晶小晶面共晶合金的結(jié)晶 由

57、于小晶面本身存在著多種不同的生長機制，故這類由于小晶面本身存在著多種不同的生長機制，故這類共晶合金比非晶小面共晶合金比非晶小面-非小晶面共晶合金具有更為復(fù)雜非小晶面共晶合金具有更為復(fù)雜的組織形態(tài)變化，且對生長條件的變化也表現(xiàn)出高度的的組織形態(tài)變化，且對生長條件的變化也表現(xiàn)出高度的敏感。即使是同一種合金，在不同的條件下則能形成多敏感。即使是同一種合金，在不同的條件下則能形成多種形態(tài)各異、性能懸殊的共生共晶甚至離異共晶組織。種形態(tài)各異、性能懸殊的共生共晶甚至離異共晶組織。這類共晶合金最具有代表性的是這類共晶合金最具有代表性的是 Fe-C 和和 A1-Si 兩種兩種合金。合金。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與

58、工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理領(lǐng)先相石墨以旋轉(zhuǎn)孿晶生長領(lǐng)先相石墨以旋轉(zhuǎn)孿晶生長機制垂直于棱柱面以機制垂直于棱柱面以10T0方向呈片狀生長，方向呈片狀生長，而奧氏體則以非封閉暈圈形而奧氏體則以非封閉暈圈形式包圍著石墨片（式包圍著石墨片（0001）基面跟隨著石墨片一起長大?；娓S著石墨片一起長大。伸入液相的石墨片前端通過旋伸入液相的石墨片前端通過旋轉(zhuǎn)孿晶的作用不斷改變生長方轉(zhuǎn)孿晶的作用不斷改變生長方向而發(fā)生彎曲，并不斷分枝出向而發(fā)生彎曲，并不斷分枝出新的石墨片。奧氏體則依靠石新的石墨片。奧氏體則依靠石墨片墨片10T0方向生長過程中在方向生長過程中在其周圍形成的富其周圍形成的富Fe液層