第三章液態(tài)金屬結晶基本原理 下

1、第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.3.1溶質(zhì)富集引起界面前方熔體凝固溫度的變化 0LLTTmC0001( )1LRxDLkCxCek00001( )1LRxDLkTxTmCek河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.3.2 熱過冷與成分過冷 00()hKLKLTTTTG xTG x 。( )KLT xTTG x hLTG x 河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.3.2 熱過冷與成分過冷河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.3.2 熱過冷與成分過冷 “成分過冷成分過冷”的形成條件分的形成條件分析析 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

2、溫度液相線溫度TL(x)隨隨x增大增大上升上升 當當GL（界面前沿液相的實（界面前沿液相的實際溫度梯度）小于液相線的際溫度梯度）小于液相線的斜率時，即斜率時，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) (xDRLmLLeKKCmTxT河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.3.2 熱過冷與成分過冷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”的判據(jù)的判據(jù)液相部分混合時形成液相部分混合時形成“

3、成分過冷成分過冷”的判的判據(jù)據(jù) 000L)1 (RG KKDCmLLNLDRLLLeKKDCm00L11RG 河工河工北大北大 由判據(jù)由判據(jù) 可見，下列條件有助于形可見，下列條件有助于形成成“成分過冷成分過冷”： 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 小；小；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

4、第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.3.2 熱過冷與成分過冷河工河工北大北大 以液相只有擴散的情況為例：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第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.3.2 熱過冷與成分過冷河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4 界面前方過冷狀態(tài)對結晶過程的影響4.4.4.14.4.4.1、熱過冷對純金屬結晶過程的影響、熱過冷對純金屬結晶過程的影響4.4.4.

5、24.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響、成分過冷對單相合金結晶過程的影響河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.1 熱過冷對純金屬結晶過程的影響 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 提提供凝固所必須的動力學驅(qū)動力，稱為供凝固所必須的動力學驅(qū)動力，稱為“動力學過冷動力學過冷” 。TkTm界 面LSGLGS 河工河工北大北大界面 Tm-TkLSGLGS 第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.1 熱過冷對純金屬結晶過程的影

6、響河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響 平面晶平面晶 胞狀晶胞狀晶 胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶(柱狀樹柱狀樹枝晶枝晶) 內(nèi)部等軸晶內(nèi)部等軸晶(自由樹自由樹枝晶枝晶) 河工河工北大北大河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響00120(1)LLLmCkGTTRD kD 或河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響00120(1)LLLm CkGTTRD kD 或 河工河工北大北大

7、第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響 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，隨著之間，隨著成分過冷的增大，發(fā)生：成分過冷的增大，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（與熱流相反與晶液界面（與熱流相反與晶體學取向無關）。體學取向無關）。胞狀晶可認為是一種亞結構胞狀晶可認為是一種亞結構。河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響河工河工北大北大第四節(jié) 單相合

8、金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響 等軸枝晶的存在阻止了等軸枝晶的存在阻止了柱狀晶區(qū)的單向延伸，此后柱狀晶區(qū)的單向延伸，此后的結晶過程便是等軸晶區(qū)不的結晶過程便是等軸晶區(qū)不斷向液體內(nèi)部推進的過程斷向液體內(nèi)部推進的過程。 晶體的表面總是由界面能較小的晶面組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。界面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，長能大的晶面（垂直）生長速度較快，長成成等軸樹枝晶等軸樹枝晶。 方向性較強的非金屬晶體，其平衡態(tài)的方向性較強的非金屬晶體，

9、其平衡態(tài)的晶體形貌具有清晰的多面體結構；方向晶體形貌具有清晰的多面體結構；方向性較弱的金屬晶體，其平衡態(tài)近乎球形性較弱的金屬晶體，其平衡態(tài)近乎球形 。河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響。第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響 河工河工北大北大第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響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河工河工北大北大一次臂間距一

10、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 31)(2LSGRTAdTS 非平衡凝固的溫度區(qū)間，A 與合金性質(zhì)相關的常數(shù)枝晶間距的預測枝晶間距的預測第四節(jié) 單相合金的結晶4.4.4.2、成分過冷對單相合金結晶過程的影響河工河工北大北大第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5、共晶合金的結晶過程河工河工北大北大 第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.1、共晶組織的分類及結晶特點河工河工北大北大第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.2、共晶合金的結晶方式河工河工北大北大

11、第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.2、共晶合金的結晶方式河工河工北大北大第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.2、共晶合金的結晶方式河工河工北大北大 第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.2、共晶合金的結晶方式河工河工北大北大 1. 3.有助于對共生生長和離異生長這兩種不同共晶方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步分析和探討；式作進一步分析和探討； 4.共生區(qū)的概念與平衡圖并不矛盾，在無限緩慢共生區(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)退縮到共晶點的冷卻條件下，共生區(qū)退縮到共晶點E，合金液即按，合金液即按平衡相圖所示的規(guī)律進行結晶。平衡相圖所示的規(guī)律進行結晶。第五節(jié) 共晶合金的結晶

12、4.5.2、共晶合金的結晶方式河工河工北大北大 第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.2、共晶合金的結晶方式河工河工北大北大 由系統(tǒng)本身的原因所引起：由系統(tǒng)本身的原因所引起： 如果合金成分偏離共晶點很如果合金成分偏離共晶點很遠，初晶相長得很大，共晶遠，初晶相長得很大，共晶成分的殘留液體很少，類似成分的殘留液體很少，類似于薄膜分布于枝晶之間。當于薄膜分布于枝晶之間。當共晶轉(zhuǎn)變時，一相就在初晶共晶轉(zhuǎn)變時，一相就在初晶相的枝晶上繼續(xù)長出，面把相的枝晶上繼續(xù)長出，面把另一相單獨留在枝晶間。另一相單獨留在枝晶間。 第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.2、共晶合金的結晶方式河工河工北大北大 第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5

13、.2、共晶合金的結晶方式河工河工北大北大2 2、“暈圈型暈圈型” 離異共晶離異共晶 如果領先相的如果領先相的固固- -液界面全部是液界面全部是慢生長面慢生長面，會被快速生長的第二相暈，會被快速生長的第二相暈圈所封閉，則圈所封閉，則兩相與熔體之間就沒有兩相與熔體之間就沒有共同的生長界面共同的生長界面，而只有形成暈圈的，而只有形成暈圈的第二相與熔體相接觸，所以原先的第二相與熔體相接觸，所以原先的領領先相只能依靠原子通過暈圈的擴散進先相只能依靠原子通過暈圈的擴散進行行，最后形成領先相呈球團狀的離異，最后形成領先相呈球團狀的離異共晶組織。共晶組織。球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變是此球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變是此類。類。

14、如果如果領先相的固領先相的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長的，第二相只能將其慢生長面包圍住，而其面包圍住，而其快生長面仍能突破快生長面仍能突破暈圈的包圍并與熔體相接觸暈圈的包圍并與熔體相接觸，則暈，則暈圈是不完整的。這時兩相仍能組成圈是不完整的。這時兩相仍能組成共同的生長界面而共同的生長界面而以共生方式進行以共生方式進行偶合結晶偶合結晶?；诣T鐵中的片狀石墨與灰鑄鐵中的片狀石墨與奧氏體的共生生長則屬此類。奧氏體的共生生長則屬此類。第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.3、非小面-非小面共晶的結晶河工河工北大北大 相固溶體在相固溶體在相球面上的析出相球面上的析出 領先相富領先相富

15、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 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。 第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.3、非小面-非小面共晶的結晶河工河工北大北大第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.3、非小面-非小面共晶的結晶河工河工北大北大此處此處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

16、的速度變慢 形成凹坑形成凹坑 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，相應的片層距就會越小。凝固速度越快，相應的片層距就會越小。21Rk 相片層中心處相片層中心處原子擴散比原子擴散比-交界要困難得多交界要困難得多 非小晶面向前生長不取決于晶體的性質(zhì)，只取決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。于熱流方向及原子擴散。第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.3、非小面-非小面共晶的結晶河工河工北大北大共生協(xié)同生長共生協(xié)同生長：兩相各向其界面前沿排出另一組元原子，由于：兩相各向其界面前沿排出另一組元原子，由于相前相前沿富沿富B

17、 B，而，而相前沿富相前沿富A A，擴散速度正比于溶質(zhì)的濃度梯度，因此橫向擴散，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。共晶兩相通過橫向擴散不斷排走界面前沿積累的溶質(zhì)，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)，且互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。且互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。第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.3、非小面-非小面共晶的結晶河工河工北大北大形成棒狀共晶的一般條件：形成棒狀共晶的一般條件： 如果一相的體積分數(shù)小于如果一相的體積分數(shù)小于1/1/時，該相將以棒狀結構出現(xiàn)；時，該相將以棒狀結構出現(xiàn)

18、； 如果體積分數(shù)在如果體積分數(shù)在 1/ 1/ 之之間時，兩相均以片狀結構出現(xiàn)。間時，兩相均以片狀結構出現(xiàn)。 第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.3、非小面-非小面共晶的結晶河工河工北大北大第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.3、非小面-非小面共晶的結晶河工河工北大北大 A、B兩相每相排出第三組元兩相每相排出第三組元的原子的原子無法橫向擴散，只能向液體內(nèi)無法橫向擴散，只能向液體內(nèi)部擴散部擴散形成富集層（達到幾百個層片形成富集層（達到幾百個層片厚度數(shù)量級）厚度數(shù)量級）在適當?shù)墓に嚄l件下在適當?shù)墓に嚄l件下 (如如GL較較小、小、R較大時較大時)，界面前方液體產(chǎn)，界面前方液體產(chǎn)生成分過冷生成分過冷導致界面形態(tài)的改

19、變，形成胞導致界面形態(tài)的改變，形成胞狀界面狀界面 第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.4、非小晶面-小晶面共晶的結晶河工河工北大北大 第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.4、非小晶面-小晶面共晶的結晶河工河工北大北大 領先相石墨以旋轉(zhuǎn)孿晶生領先相石墨以旋轉(zhuǎn)孿晶生長機制垂直于棱柱面以長機制垂直于棱柱面以1010方向呈片狀生長，而方向呈片狀生長，而奧氏體則以非封閉暈圈形式奧氏體則以非封閉暈圈形式包圍著石墨片（包圍著石墨片（0001）基面）基面跟隨著石墨片一起長大。跟隨著石墨片一起長大。-伸入液相的石墨片前端通過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旋轉(zhuǎn)孿晶的作用不斷改變生長方向而發(fā)生彎曲，并不斷長方

20、向而發(fā)生彎曲，并不斷分枝出新的石墨片。奧氏體分枝出新的石墨片。奧氏體則依靠石墨片則依靠石墨片 10T0 方向生長方向生長過程中在其周圍形成的富過程中在其周圍形成的富FeFe液層而迅速生長，并不斷將液層而迅速生長，并不斷將石墨片的側(cè)面包圍起來。石墨片的側(cè)面包圍起來。 在一般工業(yè)在一般工業(yè)Fe-CFe-C合金中，合金中，由于氧、硫等第三組元雜質(zhì)由于氧、硫等第三組元雜質(zhì)的影響，共晶石墨則以旋轉(zhuǎn)的影響，共晶石墨則以旋轉(zhuǎn)孿晶生長機制沿孿晶生長機制沿10T0方向方向生長，從而形成片狀石墨結生長，從而形成片狀石墨結構的共生共晶組織。如果在構的共生共晶組織。如果在工業(yè)鐵液中加入工業(yè)鐵液中加入微量的鎂或微量的鎂或鈰鈰等球化元素，也可得到球等球化元素，也可得到球狀石墨的離異共晶組織。狀石墨的離異共晶組織。第五節(jié) 共晶合金的結晶4.5.4、非小晶面-小晶面共晶的結晶河工河工北大北大 。第四章 總結金屬金屬結晶結晶理論