成分過冷簡介-課件

成分過冷1ppt課件成分過冷1ppt課件1.溶質(zhì)富集引起界面前液體凝固溫度（液相線溫度）變化(1)、“成分過冷”產(chǎn)生的條件過冷：金屬理論凝固溫度與實際溫度之差。熱過冷：金屬凝固時所需過冷度完全由傳熱所提供。僅由熔體實際溫度分布決定。成分過冷：凝固時由于溶質(zhì)再分配造成固液界面前沿溶質(zhì)濃度變化，引起理論凝固溫度的改變而在液固界面前液相內(nèi)形成的過冷。這種由固-液界面前方溶質(zhì)再分配引起的過冷，稱為成分過冷。由界面前方的實際溫度和液相線溫度分布兩者共同決定。成分過冷不僅受熱擴散的控制，更受溶質(zhì)擴散的控制。2ppt課件1.溶質(zhì)富集引起界面前液體凝固溫度（液相線溫度）變化(1)合金原始成分C0，平衡結(jié)晶溫度T0，液相線斜率m3ppt課件合金原始成分C0，平衡結(jié)晶溫度T0，液相線斜率m3ppt課件液相中只有擴散時：x=0時，x=∞時，4ppt課件液相中只有擴散時：x=0時，4ppt課件2、成分過冷的形成——內(nèi)因＋外因（冷卻速度）成分過冷度（ΔTK很小，可忽略）：產(chǎn)生“成分過冷”必須具備兩個條件：一是固-液界面前沿溶質(zhì)的富集引起成分再分配；二是固-液界面前方液相的實際溫度分布，或溫度分布梯度GL必須達到一定的值。

5ppt課件2、成分過冷的形成——內(nèi)因＋外因（冷卻速度）成分過冷度（ΔT成分過冷的條件：成分過冷的過冷度:6ppt課件成分過冷的條件：成分過冷的過冷度:6ppt課件影響成分過冷區(qū)寬度和過冷度大小的因素：工藝因素：G,v合金本身的因素：DL,m,k0,C0

成分過冷區(qū)的寬度，它隨凝固速度的增加而減小，隨液體中溶質(zhì)的擴散系數(shù)的增大而增大。成分過冷區(qū)的寬度和成分過冷度的大小直接影響凝固時縮松、熱裂等缺陷的形成。

7ppt課件影響成分過冷區(qū)寬度和過冷度大小的因素：成分過冷區(qū)的寬成分過冷”條件和判據(jù)

“成分過冷”的形成條件分析

（K0＜1情況下)：→

界面前沿形成溶質(zhì)富集層→液相線溫度TL(x‘)隨x’增大上升→當GL（界面前沿液相的實際溫度梯度）小于液相線的斜率時，即:

出現(xiàn)“成分過冷”。8ppt課件成分過冷”條件和判據(jù)“成分過冷”的形成條件分析8ppt課液相中只有有限擴散時形成“成分過冷”的判據(jù)液相部分混合時形成“成分過冷”的判據(jù)

9ppt課件液相中只有有限擴散時形成“成分過冷”的判據(jù)9ppt課件

由判據(jù)可見，下列條件有助于形成“成分過冷”：液相中溫度梯度小（GL?。?；晶體生長速度快，R大；

mL大，即陡的液相線斜率；原始成分濃度高，C0大；液相中溶質(zhì)擴散系數(shù)DL低；

K0＜1時，K0?。籏0＞1時，K0大工藝因素合金本身的因素10ppt課件由判據(jù)“成分過冷”的過冷度

以液相只有擴散的情況為例：“成分過冷”區(qū)的最大過冷度：“成分過冷”出現(xiàn)的區(qū)域?qū)挾龋?1ppt課件“成分過冷”的過冷度以液相只有擴散的情況為例：113、成分過冷的本質(zhì)（1）溶質(zhì)富集使平衡結(jié)晶溫度大為降低，減小了實際過冷度，甚至阻礙晶體生長。（2）成分過冷使界面不穩(wěn)定，將不能保持平面。12ppt課件3、成分過冷的本質(zhì)（1）溶質(zhì)富集使平衡結(jié)晶溫度大為降低，減小二、“成分過冷”對合金固溶體

晶體形貌的影響規(guī)律隨“成分過冷”程度增大，固溶體生長方式：

→平面晶→胞狀晶

→胞狀樹枝晶(柱狀樹枝晶)

→內(nèi)部等軸晶(自由樹枝晶)13ppt課件二、“成分過冷”對合金固溶體

晶體形貌的影響規(guī)律隨“成分過冷

合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài)

a)不同的成分過冷情況

b)無成分過冷平面晶

C)窄成分過冷區(qū)間胞狀晶

d)成分過冷區(qū)間較寬柱狀樹枝晶

e)寬成分過冷內(nèi)部等軸晶14ppt課件合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài)14ppt課件

純金屬在正溫度梯度下,為平面生長方式,在負溫度梯度下為枝晶生長方式.

對合金,在正溫度梯度下且無成分過冷時，同純金屬一樣，界面為平界面形態(tài)；在負溫度梯度下，也與純金屬一樣,為樹枝狀。但合金的樹枝狀生長還與溶質(zhì)再分配有關。但合金在正的溫度梯度時，合金晶體的生長方式還會由于溶質(zhì)再分配而產(chǎn)生多樣性：當稍有成分過冷時為胞狀生長，隨著成分過冷的增大（即溫度梯度的減?。w由胞狀晶變?yōu)橹鶢罹?、柱狀枝晶和自由樹枝晶（等軸枝晶）。

15ppt課件純金屬在正溫度梯度下,為平面生長方式,在負溫1、無成分過冷的平面生長平面生長的條件：圖界面前方無成分過冷時平面生長

a）局部不穩(wěn)定界面

b）最終穩(wěn)定界面16ppt課件1、無成分過冷的平面生長平面生長的條件：圖界面前方無成穩(wěn)定界面的推進速率即晶體的生長速率v可由界面上熱平衡方程導出

：所以：式中λS，λL—固、液兩相的導熱系數(shù)；

ρ，L—合金的密度和結(jié)晶潛熱。單相合金晶體生長中同時受到傳熱和傳質(zhì)過程的影響，要保持平界面生長方式，溫度梯度要高，而生長速度要低。合金的性質(zhì)也有影響，C0和

愈大，k偏離1愈遠，DL愈大，界面愈趨向于平面生長。

17ppt課件穩(wěn)定界面的推進速率即晶體的生長速率v可由界面上熱平衡方程導出2、窄成分過冷區(qū)的胞狀生長圖a）窄成分過冷區(qū)的形成

b）平界面在成分過冷作用下失去穩(wěn)定

c）穩(wěn)定的胞狀界面形態(tài)的形成

對宏觀平坦的界面，產(chǎn)生的任何凸起，都必將面臨較大的過冷，而以更快的速度向前長大。同時不斷向周圍的熔體中排出多余的溶質(zhì)，凹陷區(qū)域溶質(zhì)濃度增加得更快，因凹陷區(qū)域的溶質(zhì)向熔體擴散比凸起部分更困難。凸起部分快速生長的結(jié)果，導致凹陷部分溶質(zhì)進一步濃集。胞狀界面的成分過冷區(qū)的寬度約在0.0l一0.1cm之間，隨著成分過冷的增大，發(fā)生：18ppt課件2、窄成分過冷區(qū)的胞狀生長圖a）窄成分過冷區(qū)的形成

溶質(zhì)富集降低了凹陷區(qū)熔體的過冷度，從而抑制凸起晶體的橫向生長。凸起晶體前端的生長受成分過冷區(qū)寬度的限制，不能自由地向前伸展。當由于溶質(zhì)的富集，而使界面各處的液相成分達到相應溫度下的平衡溫度時，界面形態(tài)趨于穩(wěn)定。在窄成分過冷區(qū)的作用下，不穩(wěn)定的宏觀平坦界面就轉(zhuǎn)變成一種穩(wěn)定的、由許多近似于旋轉(zhuǎn)拋物面的凸出圓胞和網(wǎng)絡狀凹陷的溝槽所構(gòu)成的新的界面形態(tài)，這種形態(tài)稱為胞狀晶。以胞狀向前推進的生長方式，稱為胞狀晶生長方式。19ppt課件溶質(zhì)富集降低了凹陷區(qū)熔體的過冷度，從而抑制凸起晶體的橫向3、較寬成分過冷區(qū)的柱狀樹枝晶生長柱狀枝晶生長過程隨著界面前方成分過冷區(qū)加寬，凸起晶胞將向熔體伸展更遠；原來胞晶拋物狀界面逐漸變得不穩(wěn)定。晶胞生長方向開始轉(zhuǎn)向優(yōu)先的結(jié)晶生長方向，胞晶的橫向也將受晶體學因素的影響而出現(xiàn)凸緣結(jié)構(gòu)，當成分過冷加強時，凸緣上又會出現(xiàn)鋸齒結(jié)構(gòu)即二次枝晶。20ppt課件3、較寬成分過冷區(qū)的柱狀樹枝晶生長柱狀枝晶生長過程隨著界面前胞狀生長向枝晶生長的轉(zhuǎn)變將出現(xiàn)二次枝晶的胞晶稱為胞狀樹枝晶，或柱狀樹枝晶。如果成分過冷區(qū)足夠?qū)?，二次枝晶在隨后的生長中又會在其前端分裂出三次枝晶。21ppt課件胞狀生長向枝晶生長的轉(zhuǎn)變將出現(xiàn)二次枝晶的胞晶稱為胞狀樹枝晶，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→胞晶凸起伸向熔體更遠處→胞狀晶擇優(yōu)方向生長→胞狀晶的橫斷面出現(xiàn)凸緣→短小的鋸齒狀“二次枝晶”（胞狀樹枝晶）在成分過冷區(qū)足夠大時，二次枝晶上長出“三次枝晶”（動畫）22ppt課件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4、寬成分過冷區(qū)的自由樹枝晶生長圖從柱狀枝晶的外生生長轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

等軸枝晶的內(nèi)生生長枝狀晶＋自由樹枝晶（等軸晶）當固一液界面前方液體中成分過冷的最大值大于液體中非均質(zhì)生核所需要的過冷度ΔT異時,在柱狀枝晶生長的同時，界面前方這部分液體將發(fā)生新的形核過程，導致晶體在過冷的液體中自由成核生長，并長成樹枝晶，這稱為自由樹枝晶。23ppt課件4、寬成分過冷區(qū)的自由樹枝晶生長圖從柱狀枝晶的外生生長轉(zhuǎn)樹枝晶形態(tài)：在液體內(nèi)部自由形核生長，從自由能的角度看應該是球體。但為什么又成為樹枝晶的形態(tài)呢？在近平衡狀態(tài)下,多面體的棱角前沿液相中的溶質(zhì)濃度梯度較大,其擴散速度較快；而大平面前沿液相中溶質(zhì)梯度較小,其擴散速度較慢；這樣棱角處晶體長大速度大,平面處較小,近于球形的多面體逐漸長成星形,從星形再生出分枝而成樹枝狀。

宏觀上，平面生長、胞狀生長和柱狀樹枝晶生長都屬于晶體自形壁生核，然后由外向內(nèi)單向延伸的生長方式，稱為外生生長。而等軸晶是液體內(nèi)部自由生長的，稱為內(nèi)生生長。24ppt課件樹枝晶形態(tài)：在液體內(nèi)部自由形核生長，從自由能的角度看應該是球5、樹枝晶的生長方向和枝晶間距（1）立方晶系<100>晶向生長密排六方為（1010）方向生長體心立方為<110>晶向圖立方晶系枝晶的生長方向a）小平面生長b）非小平面生長

對于小平面生長的枝晶結(jié)構(gòu)，其生長表面均為慢速生長的密排面；對于非小平面生長的粗糙界面的非晶體學性質(zhì)與其枝晶生長中的鮮明的晶體學特征尚無完善的理論解釋25ppt課件5、樹枝晶的生長方向和枝晶間距（1）立方晶系<100>晶向生（2）枝晶間距取決于潛熱的散熱條件，即冷卻速度一次枝晶間距：二次枝晶間距：或

枝晶間距指的是相鄰同次枝晶之間的垂直距離。主軸間距為d1，二次分枝間距為d2，三次分枝間距為d3。在樹枝晶的分枝之間，充填著溶質(zhì)含量高的晶體，產(chǎn)生溶質(zhì)偏析，導致材質(zhì)或形成產(chǎn)品的性能降低。26ppt課件（2）枝晶間距取決于潛熱的散熱條件，即冷卻速度一次枝晶間距：C0、GL/R對單相合金晶體形貌的影響

各種晶體形貌間的關系如圖所示。平面晶是溶質(zhì)濃度C0=0的特殊情況。溶質(zhì)濃度一定時，隨著GL的減小和v的增大；或GL和V一定時，隨著C0的增大，晶體形貌由平面晶依次轉(zhuǎn)變成胞狀晶、胞狀樹枝晶、柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶。27ppt課件C0、GL/R對單相合金晶體形貌的影響各種晶體形貌間的成分過冷28ppt課件成分過冷1ppt課件1.溶質(zhì)富集引起界面前液體凝固溫度（液相線溫度）變化(1)、“成分過冷”產(chǎn)生的條件過冷：金屬理論凝固溫度與實際溫度之差。熱過冷：金屬凝固時所需過冷度完全由傳熱所提供。僅由熔體實際溫度分布決定。成分過冷：凝固時由于溶質(zhì)再分配造成固液界面前沿溶質(zhì)濃度變化，引起理論凝固溫度的改變而在液固界面前液相內(nèi)形成的過冷。這種由固-液界面前方溶質(zhì)再分配引起的過冷，稱為成分過冷。由界面前方的實際溫度和液相線溫度分布兩者共同決定。成分過冷不僅受熱擴散的控制，更受溶質(zhì)擴散的控制。29ppt課件1.溶質(zhì)富集引起界面前液體凝固溫度（液相線溫度）變化(1)合金原始成分C0，平衡結(jié)晶溫度T0，液相線斜率m30ppt課件合金原始成分C0，平衡結(jié)晶溫度T0，液相線斜率m3ppt課件液相中只有擴散時：x=0時，x=∞時，31ppt課件液相中只有擴散時：x=0時，4ppt課件2、成分過冷的形成——內(nèi)因＋外因（冷卻速度）成分過冷度（ΔTK很小，可忽略）：產(chǎn)生“成分過冷”必須具備兩個條件：一是固-液界面前沿溶質(zhì)的富集引起成分再分配；二是固-液界面前方液相的實際溫度分布，或溫度分布梯度GL必須達到一定的值。

32ppt課件2、成分過冷的形成——內(nèi)因＋外因（冷卻速度）成分過冷度（ΔT成分過冷的條件：成分過冷的過冷度:33ppt課件成分過冷的條件：成分過冷的過冷度:6ppt課件影響成分過冷區(qū)寬度和過冷度大小的因素：工藝因素：G,v合金本身的因素：DL,m,k0,C0

成分過冷區(qū)的寬度，它隨凝固速度的增加而減小，隨液體中溶質(zhì)的擴散系數(shù)的增大而增大。成分過冷區(qū)的寬度和成分過冷度的大小直接影響凝固時縮松、熱裂等缺陷的形成。

34ppt課件影響成分過冷區(qū)寬度和過冷度大小的因素：成分過冷區(qū)的寬成分過冷”條件和判據(jù)

“成分過冷”的形成條件分析

（K0＜1情況下)：→

界面前沿形成溶質(zhì)富集層→液相線溫度TL(x‘)隨x’增大上升→當GL（界面前沿液相的實際溫度梯度）小于液相線的斜率時，即:

出現(xiàn)“成分過冷”。35ppt課件成分過冷”條件和判據(jù)“成分過冷”的形成條件分析8ppt課液相中只有有限擴散時形成“成分過冷”的判據(jù)液相部分混合時形成“成分過冷”的判據(jù)

36ppt課件液相中只有有限擴散時形成“成分過冷”的判據(jù)9ppt課件

由判據(jù)可見，下列條件有助于形成“成分過冷”：液相中溫度梯度?。℅L小）；晶體生長速度快，R大；

mL大，即陡的液相線斜率；原始成分濃度高，C0大；液相中溶質(zhì)擴散系數(shù)DL低；

K0＜1時，K0小；K0＞1時，K0大工藝因素合金本身的因素37ppt課件由判據(jù)“成分過冷”的過冷度

以液相只有擴散的情況為例：“成分過冷”區(qū)的最大過冷度：“成分過冷”出現(xiàn)的區(qū)域?qū)挾龋?8ppt課件“成分過冷”的過冷度以液相只有擴散的情況為例：113、成分過冷的本質(zhì)（1）溶質(zhì)富集使平衡結(jié)晶溫度大為降低，減小了實際過冷度，甚至阻礙晶體生長。（2）成分過冷使界面不穩(wěn)定，將不能保持平面。39ppt課件3、成分過冷的本質(zhì)（1）溶質(zhì)富集使平衡結(jié)晶溫度大為降低，減小二、“成分過冷”對合金固溶體

晶體形貌的影響規(guī)律隨“成分過冷”程度增大，固溶體生長方式：

→平面晶→胞狀晶

→胞狀樹枝晶(柱狀樹枝晶)

→內(nèi)部等軸晶(自由樹枝晶)40ppt課件二、“成分過冷”對合金固溶體

晶體形貌的影響規(guī)律隨“成分過冷

合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài)

a)不同的成分過冷情況

b)無成分過冷平面晶

C)窄成分過冷區(qū)間胞狀晶

d)成分過冷區(qū)間較寬柱狀樹枝晶

e)寬成分過冷內(nèi)部等軸晶41ppt課件合金固溶體凝固時的晶體生長形態(tài)14ppt課件

純金屬在正溫度梯度下,為平面生長方式,在負溫度梯度下為枝晶生長方式.

對合金,在正溫度梯度下且無成分過冷時，同純金屬一樣，界面為平界面形態(tài)；在負溫度梯度下，也與純金屬一樣,為樹枝狀。但合金的樹枝狀生長還與溶質(zhì)再分配有關。但合金在正的溫度梯度時，合金晶體的生長方式還會由于溶質(zhì)再分配而產(chǎn)生多樣性：當稍有成分過冷時為胞狀生長，隨著成分過冷的增大（即溫度梯度的減?。?，晶體由胞狀晶變?yōu)橹鶢罹?、柱狀枝晶和自由樹枝晶（等軸枝晶）。

42ppt課件純金屬在正溫度梯度下,為平面生長方式,在負溫1、無成分過冷的平面生長平面生長的條件：圖界面前方無成分過冷時平面生長

a）局部不穩(wěn)定界面

b）最終穩(wěn)定界面43ppt課件1、無成分過冷的平面生長平面生長的條件：圖界面前方無成穩(wěn)定界面的推進速率即晶體的生長速率v可由界面上熱平衡方程導出

：所以：式中λS，λL—固、液兩相的導熱系數(shù)；

ρ，L—合金的密度和結(jié)晶潛熱。單相合金晶體生長中同時受到傳熱和傳質(zhì)過程的影響，要保持平界面生長方式，溫度梯度要高，而生長速度要低。合金的性質(zhì)也有影響，C0和

愈大，k偏離1愈遠，DL愈大，界面愈趨向于平面生長。

44ppt課件穩(wěn)定界面的推進速率即晶體的生長速率v可由界面上熱平衡方程導出2、窄成分過冷區(qū)的胞狀生長圖a）窄成分過冷區(qū)的形成

b）平界面在成分過冷作用下失去穩(wěn)定

c）穩(wěn)定的胞狀界面形態(tài)的形成

對宏觀平坦的界面，產(chǎn)生的任何凸起，都必將面臨較大的過冷，而以更快的速度向前長大。同時不斷向周圍的熔體中排出多余的溶質(zhì)，凹陷區(qū)域溶質(zhì)濃度增加得更快，因凹陷區(qū)域的溶質(zhì)向熔體擴散比凸起部分更困難。凸起部分快速生長的結(jié)果，導致凹陷部分溶質(zhì)進一步濃集。胞狀界面的成分過冷區(qū)的寬度約在0.0l一0.1cm之間，隨著成分過冷的增大，發(fā)生：45ppt課件2、窄成分過冷區(qū)的胞狀生長圖a）窄成分過冷區(qū)的形成

溶質(zhì)富集降低了凹陷區(qū)熔體的過冷度，從而抑制凸起晶體的橫向生長。凸起晶體前端的生長受成分過冷區(qū)寬度的限制，不能自由地向前伸展。當由于溶質(zhì)的富集，而使界面各處的液相成分達到相應溫度下的平衡溫度時，界面形態(tài)趨于穩(wěn)定。在窄成分過冷區(qū)的作用下，不穩(wěn)定的宏觀平坦界面就轉(zhuǎn)變成一種穩(wěn)定的、由許多近似于旋轉(zhuǎn)拋物面的凸出圓胞和網(wǎng)絡狀凹陷的溝槽所構(gòu)成的新的界面形態(tài)，這種形態(tài)稱為胞狀晶。以胞狀向前推進的生長方式，稱為胞狀晶生長方式。46ppt課件溶質(zhì)富集降低了凹陷區(qū)熔體的過冷度，從而抑制凸起晶體的橫向3、較寬成分過冷區(qū)的柱狀樹枝晶生長柱狀枝晶生長過程隨著界面前方成分過冷區(qū)加寬，凸起晶胞將向熔體伸展更遠；原來胞晶拋物狀界面逐漸變得不穩(wěn)定。晶胞生長方向開始轉(zhuǎn)向優(yōu)先的結(jié)晶生長方向，胞晶的橫向也將受晶體學因素的影響而出現(xiàn)凸緣結(jié)構(gòu)，當成分過冷加強時，凸緣上又會出現(xiàn)鋸齒結(jié)構(gòu)即二次枝晶。47ppt課件3、較寬成分過冷區(qū)的柱狀樹枝晶生長柱狀枝晶生長過程隨著界面前胞狀生長向枝晶生長的轉(zhuǎn)變將出現(xiàn)二次枝晶的胞晶稱為胞狀樹枝晶，或柱狀樹枝晶。如果成分過冷區(qū)足夠?qū)?，二次枝晶在隨后的生長中又會在其前端分裂出三次枝晶。48ppt課件胞狀生長向枝晶生長的轉(zhuǎn)變將出現(xiàn)二次枝晶的胞晶稱為胞狀樹枝晶，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→胞晶凸起伸向熔體更遠處→胞狀晶擇優(yōu)方向生長→胞狀晶的橫斷面出現(xiàn)凸緣→短小的鋸齒狀“二次枝晶”（胞狀樹枝晶）在成分過冷區(qū)足夠大時，二次枝晶上長出“三次枝晶”（動畫）49ppt課件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4、寬成分過冷區(qū)的自由樹枝晶生長圖從柱狀枝晶的外生生長轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

等軸枝晶的內(nèi)生生長枝狀晶＋自由樹枝晶（等軸晶）當固一液界面前方液體中成分過冷的最大值大于液體中非均質(zhì)生核所需要的過冷度ΔT異時,在柱狀枝晶生長的同時，界面前方這部分液體將發(fā)生新的形核過程，導致晶體在過冷的液體中自由成核生長，并長成樹枝晶，這稱為自由樹枝晶。50ppt課件4、寬成分過冷區(qū)的自由樹枝晶生長圖