材料科學(xué)基礎(chǔ)7

1、熔化熔化煉鋼煉鋼 澆注澆注 煉銅煉銅 凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。 若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之 為結(jié)晶。為結(jié)晶。 凝固過(guò)程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和凝固過(guò)程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。壽命。 凝固是相變過(guò)程，可為其它相變的研究提凝固是相變過(guò)程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。供基礎(chǔ)。補(bǔ)充補(bǔ)充 材料結(jié)晶的基本規(guī)律材料結(jié)晶的基本規(guī)律1 1 液態(tài)材料的結(jié)構(gòu)液態(tài)材料的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)程無(wú)序而短程有序。結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)程無(wú)序而短程有序。 特點(diǎn)（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位特點(diǎn)（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混

2、亂。數(shù)較小、原子排列較混亂。2 2 過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷現(xiàn)象 supercoolingsupercooling （1 1）過(guò)冷：液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。）過(guò)冷：液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。（2 2）過(guò)冷度：液體材料的理論結(jié)晶溫度）過(guò)冷度：液體材料的理論結(jié)晶溫度(T(Tm m) ) 與其實(shí)際溫度與其實(shí)際溫度之差。之差。 T=TT=Tm m-T (-T (見(jiàn)冷卻曲線見(jiàn)冷卻曲線) ) 注注: : 過(guò)冷是凝固的必要條件過(guò)冷是凝固的必要條件 ( (凝固過(guò)程總是在一定的過(guò)冷度下進(jìn)行凝固過(guò)程總是在一定的過(guò)冷度下進(jìn)行) )。 這是一種過(guò)度冷卻的水（約零下這是一種過(guò)度冷卻的水（約零下

3、2121攝氏度）。攝氏度）。一開(kāi)始的時(shí)它是液體，但倒進(jìn)碗里就馬上變成一開(kāi)始的時(shí)它是液體，但倒進(jìn)碗里就馬上變成冰水混合物狀冰水混合物狀 第一節(jié)第一節(jié) 材料凝固時(shí)晶核的形成材料凝固時(shí)晶核的形成 一、均勻形核一、均勻形核TSHGG0轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件為轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件為GSTSSdTdG且且恒恒為為正正值值液態(tài)金屬原子排列的混亂程度比固態(tài)大很多，所以液態(tài)金屬原子排列的混亂程度比固態(tài)大很多，所以SLSS GSTSSdTdG且且恒恒為為正正值值其中的其中的T Tm m表示該溫度下，表示該溫度下，液固自由能相等，該溫液固自由能相等，該溫度就是金屬的理論凝固度就是金屬的理論凝固溫度溫度1 1 熱力學(xué)條件熱力學(xué)

4、條件（2 2）熱力學(xué)條件）熱力學(xué)條件 G Gv v= =L Lm mT/TT/Tm m a a T0, T0, G Gv v00b 1800時(shí)時(shí), , G Gk k非非 TTB B第三節(jié)第三節(jié) 固溶體合金的凝固固溶體合金的凝固 一一 合金凝固的三種典型情況合金凝固的三種典型情況1 1 平衡凝固平衡凝固平衡分配系數(shù)，在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質(zhì)平衡分配系數(shù)，在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質(zhì) 濃度的比值。濃度的比值。110或或者者小小于于大大于于Lsxxk x0 x1x3x2t0t1t3t2K0 x0K0 x1K0 x2K0 x3x0B%T/平衡結(jié)晶時(shí)，液相的成分沿著液相線變化，固相的成平

5、衡結(jié)晶時(shí)，液相的成分沿著液相線變化，固相的成分沿著固相線變化分沿著固相線變化 a 平衡凝固過(guò)程平衡凝固過(guò)程L S L S L S L S LS S Lt=t1x0 x0 x1x1x1x2K0 x0K0 x1K0 x1K0 x2t=0t=t1t=t2t=t2t=t3t=t3B%B%x2K0 x2K0 x2K0 x3=C0s3x2K0 x3綜上所述，固溶體平衡凝固過(guò)程是綜上所述，固溶體平衡凝固過(guò)程是: :形核形核相界平相界平衡衡擴(kuò)散破壞平衡擴(kuò)散破壞平衡長(zhǎng)大長(zhǎng)大相界平衡相界平衡.隨著溫度降低，此過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直至熔液全部隨著溫度降低，此過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直至熔液全部轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤煞值木鶆蚬倘荏w為止。轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

6、相同成分的均勻固溶體為止。2 2 不平衡凝固不平衡凝固（1 1）固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散，液相內(nèi)達(dá)到完全均勻化）固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散，液相內(nèi)達(dá)到完全均勻化TxxEXmaxXLXsx0LT1T2T3固固液液xsxLx0k0 x0 xxx0k0 x0 xExmax沿棒距離沿棒距離X Xb)C)（2 2）固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散，液相內(nèi)只有擴(kuò)散而沒(méi)有對(duì)流原子只能部）固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散，液相內(nèi)只有擴(kuò)散而沒(méi)有對(duì)流原子只能部分混合分混合n凝固速度很快，界面很快推移，邊界層中溶質(zhì)凝固速度很快，界面很快推移，邊界層中溶質(zhì)迅速富集。由于液相中完全不混合，當(dāng)固相中迅速富集。由于液相中完全不混合，當(dāng)固相中由由k k0 0 x x0 0提高到提高到x x

7、0 0時(shí)，大體積液相中溶質(zhì)濃度仍保時(shí)，大體積液相中溶質(zhì)濃度仍保持持x x0 0，液固界面仍處在兩相平衡，液固界面仍處在兩相平衡(x(xL L) )i i=x=x0 0/k/k0 0, ,一一直保持該數(shù)值直保持該數(shù)值. .n初始過(guò)渡區(qū)建立后，固相溶質(zhì)濃度保持初始過(guò)渡區(qū)建立后，固相溶質(zhì)濃度保持x x0 0, ,邊邊界層外液相濃度也保持界層外液相濃度也保持x x0 0。直至凝固結(jié)束，剩。直至凝固結(jié)束，剩余液相很少時(shí)，由于質(zhì)量守恒，剩余液相濃度余液相很少時(shí)，由于質(zhì)量守恒，剩余液相濃度迅速升高，故凝固結(jié)束后合金棒的末端又出現(xiàn)迅速升高，故凝固結(jié)束后合金棒的末端又出現(xiàn)一個(gè)富含溶質(zhì)的末端過(guò)渡區(qū)。一個(gè)富含溶質(zhì)的

8、末端過(guò)渡區(qū)。SLx0k0 x0SLx0k0 x0k0 x0 x0穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)起始起始瞬態(tài)瞬態(tài)最終最終瞬態(tài)瞬態(tài)a)b)X0/k0合金凝固三種情況的溶質(zhì)分布曲線比較合金凝固三種情況的溶質(zhì)分布曲線比較二二 成分過(guò)冷及其對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響成分過(guò)冷及其對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散，液相內(nèi)只有擴(kuò)散而沒(méi)有對(duì)流原子只能部分混合固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散，液相內(nèi)只有擴(kuò)散而沒(méi)有對(duì)流原子只能部分混合SLx0k0 x0 x0 x3S L 溫度TT3濃度溫度界面x0界面距離 ZZZT0(b)(c)(d)Z界面T0GR溫度(e)T3T3X3T0臨界過(guò)冷溫度梯度：臨界過(guò)冷溫度梯度：界面界面dZdTGeCRZ界面T0GR溫度TL成分過(guò)冷條件：成

9、分過(guò)冷條件：LRCTGTxxEXmaxXLXsx0LT1T2T3其中，臨界過(guò)冷度為其中，臨界過(guò)冷度為vDTTGCR31影響成分過(guò)冷的因素有：影響成分過(guò)冷的因素有： (1) 鋼錠或鑄件中的溫度梯度，當(dāng)溫度梯度變得平緩，有利鋼錠或鑄件中的溫度梯度，當(dāng)溫度梯度變得平緩，有利于成分過(guò)冷；于成分過(guò)冷； (2) 凝固速度凝固速度v; (3) 合金凝固范圍合金凝固范圍(T1-T3)vDTTGCR31成分過(guò)冷及其對(duì)成分過(guò)冷及其對(duì)晶體生長(zhǎng)形態(tài)晶體生長(zhǎng)形態(tài)的影響（正溫的影響（正溫度梯度下），度梯度下），成分過(guò)冷由小成分過(guò)冷由小到大，晶體生到大，晶體生長(zhǎng)形態(tài)：平面長(zhǎng)形態(tài)：平面狀胞狀樹(shù)狀胞狀樹(shù)枝狀。枝狀。第四節(jié)第四節(jié)

10、 共晶合金的凝固共晶合金的凝固 一一 共晶合金的凝固共晶合金的凝固和純組元一樣，共晶體生長(zhǎng)特性取決于兩個(gè)組元各自的熔和純組元一樣，共晶體生長(zhǎng)特性取決于兩個(gè)組元各自的熔化熵?；?。1 1 兩個(gè)低熔化熵的組元組成的共晶兩個(gè)低熔化熵的組元組成的共晶大多數(shù)金屬構(gòu)成的共晶合金均屬于這種情況，共晶中的大多數(shù)金屬構(gòu)成的共晶合金均屬于這種情況，共晶中的兩相以層片狀或棒狀平行生長(zhǎng)兩相以層片狀或棒狀平行生長(zhǎng)（1 1）當(dāng)某一相的體積分?jǐn)?shù)小于）當(dāng)某一相的體積分?jǐn)?shù)小于1/1/，則采取棒狀形態(tài)生長(zhǎng)。，則采取棒狀形態(tài)生長(zhǎng)。因?yàn)轶w積分?jǐn)?shù)一定的條件下，棒狀比層片狀具有更低的表面因?yàn)轶w積分?jǐn)?shù)一定的條件下，棒狀比層片狀具有更低的表

11、面能。能。（2 2）當(dāng)某一相的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)總體積分?jǐn)?shù)的）當(dāng)某一相的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)總體積分?jǐn)?shù)的1/1/，多采用，多采用層片狀生長(zhǎng)，因?yàn)閷悠瑺畋砻鎲挝槐砻娣e表面能低。層片狀生長(zhǎng)，因?yàn)閷悠瑺畋砻鎲挝槐砻娣e表面能低。（3 3）純共晶合金，無(wú)成分過(guò)冷現(xiàn)象。）純共晶合金，無(wú)成分過(guò)冷現(xiàn)象。2 2 低熔化熵和高熔化熵組元組成的共晶低熔化熵和高熔化熵組元組成的共晶這是金屬與非金屬（或者類金屬）組成的共晶這是金屬與非金屬（或者類金屬）組成的共晶AlAlSiAlSi圖圖6 620 Al-Si 20 Al-Si 共晶生長(zhǎng)共晶生長(zhǎng)3. 3. 兩種高熔化熵組元的共晶。兩種高熔化熵組元的共晶。在共晶凝固中兩相各自獨(dú)立形核與成

12、長(zhǎng)，沒(méi)有結(jié)晶學(xué)關(guān)系，在共晶凝固中兩相各自獨(dú)立形核與成長(zhǎng)，沒(méi)有結(jié)晶學(xué)關(guān)系，共晶組織很不規(guī)則。共晶組織很不規(guī)則。二二 雜質(zhì)對(duì)共晶生長(zhǎng)的影響雜質(zhì)對(duì)共晶生長(zhǎng)的影響1 1 雜質(zhì)對(duì)第一類共晶生長(zhǎng)的影響雜質(zhì)對(duì)第一類共晶生長(zhǎng)的影響（a a）使純共晶的平面式生長(zhǎng)變?yōu)榘麪钌L(zhǎng)。）使純共晶的平面式生長(zhǎng)變?yōu)榘麪钌L(zhǎng)。（b b）雜質(zhì)還可以片狀共晶結(jié)構(gòu)改變?yōu)榘魻罟簿А＃╇s質(zhì)還可以片狀共晶結(jié)構(gòu)改變?yōu)榘魻罟簿А? 2 雜質(zhì)對(duì)第二類共晶生長(zhǎng)的影響雜質(zhì)對(duì)第二類共晶生長(zhǎng)的影響（a a）加入變質(zhì)劑的影響）加入變質(zhì)劑的影響Al-SiAl-Si合金變質(zhì)劑的影響合金變質(zhì)劑的影響第五節(jié)第五節(jié) 制造工藝與凝固組織制造工藝與凝固組織 一一 鑄錠與鑄件的凝固組織及其偏析鑄錠與鑄件的凝固組織及其偏析1 1 凝固組織凝固組織鑄錠三區(qū)鑄錠三區(qū) 表層細(xì)晶區(qū)表層細(xì)晶區(qū)( (強(qiáng)過(guò)冷強(qiáng)過(guò)冷, ,非均勻形核非均勻形核) ) 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)( (純金屬純金屬: :過(guò)冷度減小過(guò)冷度減小, ,形核困難形核困難, ,沿散熱方向生長(zhǎng)沿散熱方向生長(zhǎng); ; 合金合金: :成分過(guò)冷成分過(guò)冷, ,一次軸發(fā)達(dá)一次軸發(fā)達(dá), ,沿散熱方向生長(zhǎng)沿散熱方向生長(zhǎng). ). ) 中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū)( (均勻散熱、液相區(qū)成均勻散熱、液相區(qū)成 分過(guò)冷、熔體對(duì)流導(dǎo)分過(guò)冷、熔體對(duì)流導(dǎo) 致細(xì)晶漂移或枝晶破致細(xì)晶漂移或枝晶破 碎。）碎。） （1 1）宏觀偏析）宏