北航物理冶金原理3-合金相图与凝固(1).ppt

1、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、Structure of Liquid MetalsShort-Range Order 近程有序近程有序 Structure Fluctuation 结构起伏结构起伏Composition Fluctuation 成分起伏成分起伏2、

2、Properties of Liquid MetalsFluidity 流动性流动性 Viscosity 粘度粘度Surface Tension 表面张力表面张力Diffusion Coefficient 扩散系数扩散系数Electric Resistance 电阻电阻Structure of Amorphous AlloysShort-Range Order Short-Range Order No Grain BoundariesNo Grain BoundariesNo Dislocations No Dislocations Chemical HomogeneityChemical H

3、omogeneitylTheatomsarearrangedinarandomfashion,similartotheirarrangementintheliquidstateExampleofacrystallineatomicstructure.Fourgrainsareillustrated金属的凝固金属的凝固Solidification of Metals 形核与长大形核与长大Nucleation and Growth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”Degree of Undercooling lG

4、=HTSlDGv=GsGL=Hs-HL-T(Ss-SL)=DH-T.DSlDSm=DH/TmD DGv=(D DHm/Tm).D DTD DTDGvTmTGGLGsSpontaneous Nucleation自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）Spontaneous Nucleation自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）Spontaneous Nucleation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*rD DT*D DTTm m(D D D D

5、T=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ND DTD DTTm m(D D D DT=0)T=0)Heterogeneous NucleationlDG=-gML.S1+gMS.S1+gSL.S2lS1=f1(q);S2=f2(q)rc=2ssL/DGvDG*=DGC.f1(q)Effect of Wetting Anglel lq q=0:Complete Wetting No nucleation is neededl lq q=180:No wettingSpontaneous Nucleation晶体生长晶体生长Crystal G

6、rowthl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Typical Cooling Curve of a Pure MetalDTDTk kDTDTT TmTimeTemperatureAtomically Rough S/L Interface（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

7、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-facetedPhasesEffect of Solidification Cooling Rate on DASEffect of SDAS on Tensile StrengthAtomicallySmoothS/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Lateral Growth by Steps due to Surface Two-Dimensional N

8、ucleation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(Faceted Crystal)LateralGrowthbySteps from a Screw Dislocationl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(Faceted Crystal)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Growt

9、h Steps on a Rapidly Solidified TiC Crystal SurfaceFaceted PhasesTi5 5Si3 3Non-Faceted and Faceted Phases正温度梯度：平界面稳定lSolidS/LInterfaceLiquidTm定向凝固 Directional Solidification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-Dendrite in Cu Matrix in Fe-20vol%Cu alloyFe-D

10、endrite in Cu Matrix in Fe-20vol%Cu alloyFe-20vol%Cu合金合金中中Fe树枝晶树枝晶SEM照片照片Effect of Solidification Cooling Rate on DASEffect of SDAS on Tensile Strength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-GrownEquiaxedDendritePreferred Orientati

11、on of Crystal Growth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-Dendrite in Cu Matrix in Fe-20vol%Cu alloyFe-Dendrite in Cu Matrix in Fe-20vol%Cu alloyFe-20vol%Cu合金合金中中Fe树枝晶树枝晶SEM照片照片Preferred Orientation and Competitive Preferred Orientation and Competitive Growth of Crystal GrowthGrowth of Crys

12、tal Growth Competitive Growth Induced Natural Selection of Columnar Grains(Struggle for existence,the Fittest Survives!)(Struggle for existence,the Fittest Survives!)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

13、”，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Separation of Crystal from Mould Wall due to Convection Separation of Crystal from Mould Wall due to Convection Separation of Crystal fro

14、m Mould Wall due to Convection Separation of Crystal from Mould Wall due to Convection Breaking of Dendrite-Arms due to Melt Convection 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:Surface Nucleation No Superheating Neededs sS

15、G s sSL +s sLG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Binary Phase DiagramsandSolidification of Binary Alloys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Cooling CurveAB热力学计算法热力学计算法:化学化学位位GAB BA A A A B BGB A A=RT ln aA B B=RT ln aBcA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a ab bGB BA A A A

16、B B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 fn p+2 fn p+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）IsomorphousSolidus LineLiquidus Linea+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：Eutectic Phase DiagramEutectic Phase DiagramLE E (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: