北航物理冶金原理3-合金相图与凝固(1).ppt

北航物理冶金原理3-合金相图与凝固(1).ppt

《北航物理冶金原理3-合金相图与凝固(1).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北航物理冶金原理3-合金相图与凝固(1).ppt（188页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1、液态金属的结构：

、液态金属的结构：

金属熔化时物理性质的变化金属熔化时物理性质的变化体积体积膨胀约膨胀约35%、配位数约、配位数约11、原、原子间距增加约子间距增加约11.5%:

原子间结合力仍原子间结合力仍很强！

很强！

熔化潜热约为蒸发热的熔化潜热约为蒸发热的37：

原子：

原子间结合力仍很强；间结合力仍很强；液态金属的结构更接近固体液态金属的结构更接近固体一、一、StructureofLiquidMetalsShort-RangeOrder近程有序近程有序StructureFluctuation结构起伏结构起伏CompositionFluctuation成分起伏成分起伏2、PropertiesofLiquidMetalsFluidity流动性流动性Viscosity粘度粘度SurfaceTension表面张力表面张力DiffusionCoefficient扩散系数扩散系数ElectricResistance电阻电阻StructureofAmorphousAlloysShort-RangeOrderShort-RangeOrderNoGrainBoundariesNoGrainBoundariesNoDislocationsNoDislocationsChemicalHomogeneityChemicalHomogeneitylTheatomsarearrangedinarandomfashion,similartotheirarrangementintheliquidstateExampleofacrystallineatomicstructure.Fourgrainsareillustrated金属的凝固金属的凝固SolidificationofMetals形核与长大形核与长大NucleationandGrowth形核形核Nucleationl形核的热力学条件形核的热力学条件:

过冷“过冷过冷”Undercooling“过冷度过冷度”DegreeofUndercoolinglG=HTSlDGv=GsGL=Hs-HL-T（Ss-SL）=DH-T.DSlDSm=DH/TmDDGv=（DDHm/Tm）.DDTDDTDGvTmTGGLGsSpontaneousNucleation自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）SpontaneousNucleation自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）SpontaneousNucleation自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）r临界形核功：

CriticalEnergyofNucleation形核率及其主要影响因素形核率及其主要影响因素过冷度的影响过冷度的影响Nr*rDDT*DDTTmm（DDDDT=0）T=0）形核率及其主要影响因素形核率及其主要影响因素原子扩散能力的影响原子扩散能力的影响NDDTDDTTmm（DDDDT=0）T=0）HeterogeneousNucleationlDG=-gML.S1+gMS.S1+gSL.S2lS1=f1（q）;S2=f2（q）rc=2ssL/DGvDG*=DGC.f1（q）EffectofWettingAnglellqq=0:

CompleteWettingNonucleationisneededllqq=180:

NowettingSpontaneousNucleation晶体生长晶体生长CrystalGrowthl热力学条件热力学条件:

过冷过冷Undercoolingl生长机制生长机制:

液液-固界面结固界面结构与构与Jackson因子因子纯金属凝固典型冷却曲线纯金属凝固典型冷却曲线TypicalCoolingCurveofaPureMetalDTDTkkDTDTTTmTimeTemperatureAtomicallyRoughS/LInterface（原子尺度）粗糙液固界面原子尺度）粗糙液固界面lContinuousGrowth-连续生长lNon-facetedPhases（非小面相）连续生长ContinuousGrowth（Non-FacetedCrystal）l所需界面动力学过冷度很小l生长速度与过冷度呈线性关系l晶体外形圆滑、无棱角Non-facetedPhasesEffectofSolidificationCoolingRateonDASEffectofSDASonTensileStrengthAtomicallySmoothS/LInterface（原子尺度）光滑液固界面lLateralGrowth侧向生长lFacetedPhase小面相台阶侧向生长:

lateraloredgewisegrowth表面二维形核侧向生长LateralGrowthbyStepsduetoSurfaceTwo-DimensionalNucleation密排面低界面能l所需动力学过冷度很大所需动力学过冷度很大l生长速度与过冷度呈指数关系生长速度与过冷度呈指数关系l晶体生长表面棱角分明晶体生长表面棱角分明（FacetedCrystal）LateralGrowthbyStepsfromaScrewDislocationl所需动力学过冷度较大所需动力学过冷度较大l生长速度与过冷度呈对数关系生长速度与过冷度呈对数关系l晶体生长表面棱角分明晶体生长表面棱角分明（FacetedCrystal）能观察到螺旋状生长台阶能观察到螺旋状生长台阶气相沉积生长SiC晶体表面螺旋生长台阶l晶体生长的台阶机制l晶体中确实存在螺位错GrowthStepsonaRapidlySolidifiedTiCCrystalSurfaceFacetedPhasesTi55Si33Non-FacetedandFacetedPhases正温度梯度：

平界面稳定lSolidS/LInterfaceLiquidTm定向凝固DirectionalSolidification负温度梯度：

平界面失稳lSolidS/LInterfaceLiquidTm晶体生长过程中平界面的稳定性PlanarS/LInterfaceStabilityFe-DendriteinCuMatrixinFe-20vol%CualloyFe-DendriteinCuMatrixinFe-20vol%CualloyFe-20vol%Cu合金合金中中Fe树枝晶树枝晶SEM照片照片EffectofSolidificationCoolingRateonDASEffectofSDASonTensileStrength自由生长树枝晶lS/L界面处负的温度梯度l“平界面”失稳形成自由生长等轴树枝晶Free-GrownEquiaxedDendrite自由生长树枝晶lS/L界面处负的温度梯度l“平界面”失稳形成自由生长等轴树枝晶Free-GrownEquiaxedDendritePreferredOrientationofCrystalGrowth晶体生长过程中的择优取向性晶体生长过程中的择优取向性e.g.立方系金属择优生长方向:

晶向Fe-DendriteinCuMatrixinFe-20vol%CualloyFe-DendriteinCuMatrixinFe-20vol%CualloyFe-20vol%Cu合金合金中中Fe树枝晶树枝晶SEM照片照片PreferredOrientationandCompetitivePreferredOrientationandCompetitiveGrowthofCrystalGrowthGrowthofCrystalGrowthCompetitiveGrowthInducedNaturalSelectionofColumnarGrains（Struggleforexistence,theFittestSurvives!

）（Struggleforexistence,theFittestSurvives!

）择优取向与竞争生长择优取向与竞争生长控制凝固过程细化晶粒的方法控制凝固过程细化晶粒的方法l加大冷却速度加大冷却速度提高过冷度（降低浇铸温提高过冷度（降低浇铸温度、提高铸型冷却能力、减小零件壁厚、度、提高铸型冷却能力、减小零件壁厚、强制冷却、内外强制冷却、内外“冷铁冷铁”，等等），等等）l熔体纯净化熔体纯净化（深过冷深过冷）提高过冷度提高过冷度l加强液态金属的流动（浇铸方式、机械搅加强液态金属的流动（浇铸方式、机械搅拌与振动、电磁及超声搅拌与振动等等）拌与振动、电磁及超声搅拌与振动等等）型壁晶体的游离型壁晶体的游离枝晶臂断裂与游离枝晶臂断裂与游离l孕育处理孕育处理l微合金化处理微合金化处理SeparationofCrystalfromMouldWallduetoConvectionSeparationofCrystalfromMouldWallduetoConvectionSeparationofCrystalfromMouldWallduetoConvectionSeparationofCrystalfromMouldWallduetoConvectionBreakingofDendrite-ArmsduetoMeltConvection典型金属铸锭组织及形成机理典型金属铸锭组织及形成机理表面细小等轴晶区表面细小等轴晶区柱状晶区柱状晶区内部粗大等轴晶区内部粗大等轴晶区中心缩孔、气孔、夹杂物、低中心缩孔、气孔、夹杂物、低熔点杂质、熔点杂质、金属的熔化与过热金属的熔化与过热:

SurfaceNucleationNoSuperheatingNeededssSGssSL+ssLG二元合金相图与二元合金的凝固二元合金相图与二元合金的凝固BinaryPhaseDiagramsandSolidificationofBinaryAlloys相图及其建立方法l相图l相图的建立方法l相律相图的建立方法l实验方法：

临界点的测定l热力学计算：

冷却曲线冷却曲线CoolingCurveAB热力学计算法热力学计算法:

化学化学位位GABBAAAABBGBAA=RTlnaABB=RTlnaBcA相平衡条件相平衡条件l元素在平衡相中的化学位元素在平衡相中的化学位相等相等热力学计算法热力学计算法aabbGBBAAAABB相平衡规律：

相律相平衡规律：

相律l体系自由度体系自由度fnp+2fnp+1（常压条件）常压条件）常见基本相图类型常见基本相图类型1、匀晶相图（无限互溶单相固溶体）、匀晶相图（无限互溶单相固溶体）IsomorphousSolidusLineLiquidusLinea+LLa（f=2-1+1=2）（f=2-1+1=2）（f=2-1+1=2）（f=2-1+1=2）（f=2-2+1=1）（f=2-2+1=1）2、共晶相图：

、共晶相图：

EutecticPhaseDiagramEutecticPhaseDiagramLEE（a+ba+b）三相平衡三相平衡三相平衡三相平衡f=2-3+1=0f=2-3+1=0单相二元合金的凝固SolidificationofSingle-PhaseBinaryAlloysSolidificationofSingle-PhaseBinaryAlloys一、相图分析：

一、相图分析：

液相线液相线Liquidus;固相线固相线Solidus;液相区液相区;固相区固相区;两相区两相区.自由度自由度B%BAT,oCLiquid:

LL+aSolid: