《材料科学基础》课件之第六章-----06材料凝固.ppt

1、第六章第六章 材料凝固材料凝固6.1 材料凝固基本规律材料凝固基本规律6.2 形核和长大形核和长大6.3 固溶体凝固固溶体凝固6.4 共晶合金凝固共晶合金凝固6.5 凝固组织及其控制和应用凝固组织及其控制和应用 16.1 材料凝固基本规律材料凝固基本规律凝固：物质从液态到固态的转变过程。凝固：物质从液态到固态的转变过程。也称为结晶过程。也称为结晶过程。凝固过程中各种条件不同，使内部组织凝固过程中各种条件不同，使内部组织结构不同，晶体的物理、化学和力学性结构不同，晶体的物理、化学和力学性能也会发生改变。能也会发生改变。2一、液态结构一、液态结构液体中原子间距大于固体液体中原子间距大于固体密排结构

2、固体的液态配位数减少，体积增大，非密排密排结构固体的液态配位数减少，体积增大，非密排结构相反结构相反液态原子排列混乱度增大液态原子排列混乱度增大长程无序，短程有序长程无序，短程有序局部的有序与无序随原子热运动不断形成和消失局部的有序与无序随原子热运动不断形成和消失形成结构起伏和能量起伏形成结构起伏和能量起伏3二、凝固热力学条件二、凝固热力学条件结晶的驱动力：自由能差。结晶的驱动力：自由能差。结晶的能量条件：存在结晶的能量条件：存在结晶过冷度结晶过冷度（T=TT=T0 0 T Tn n）T Tm是结晶的必要条件是结晶的必要条件液态液态 T0 T TnGGT固态固态4三、过冷现象三、过冷现象过冷现

3、象：过冷现象：实际结晶温度总是低于平衡结晶温度。实际结晶温度总是低于平衡结晶温度。温差值称为过冷度。受到杂质、冷速等影响。温差值称为过冷度。受到杂质、冷速等影响。即即GV与与 T呈直线关系，过冷度越大，液态和固态的自由能差呈直线关系，过冷度越大，液态和固态的自由能差值越大，相变驱动力越大，凝固过程加快。值越大，相变驱动力越大，凝固过程加快。5四、结晶一般过程四、结晶一般过程结晶的两个过程：晶核形成、晶核长大结晶的两个过程：晶核形成、晶核长大形核率：单位时间、单位体积液体形成晶核数量。形核率：单位时间、单位体积液体形成晶核数量。长大速度：晶核生长时，液长大速度：晶核生长时，液/固界面在垂直界面方

4、向上单位时固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。间内迁移的距离。66.2 形核和长大形核和长大固体固体晶核晶核形核方式：形核方式：均匀形核均匀形核:晶核直接在液相中形成。晶核直接在液相中形成。非非均均匀匀形形核核:晶晶核核附附在在液液相相中中已已有有固固体体的表面形成。的表面形成。一、晶体形核一、晶体形核7TTm，液相中时聚时散的液相中时聚时散的短程有序原子集团短程有序原子集团，成为均匀形核，成为均匀形核的的“胚芽胚芽”或称或称晶胚晶胚，内部的原子呈现晶态的规则排列，外层，内部的原子呈现晶态的规则排列，外层原子与液体中不规则排列的原子相接触而构成原子与液体中不规则排列的原子相接触而构成界

5、面界面。均匀形核均匀形核存在存在临界晶核临界晶核，其半径，其半径rk当当r rk，长大使长大使G减小，晶核长大减小，晶核长大8形核功形核功临界晶核时，有临界晶核时，有分别带入相关方程式分别带入相关方程式l形成临界晶核时自由能增加，与形成临界晶核时自由能增加，与T2反比反比l过冷度越大，临界晶核越小，形核功越小，过冷度越大，临界晶核越小，形核功越小，形核几率增大形核几率增大l熔点时无形核熔点时无形核9形核功与表面能形核功与表面能临界形核时的能量增高等于表面能的临界形核时的能量增高等于表面能的1/3，液，液/固能量差可固能量差可补偿补偿2/3表面能，另外表面能，另外1/3靠液体中的能量起伏补足。靠

6、液体中的能量起伏补足。形核要在一定的过冷条件下才可能，此时液形核要在一定的过冷条件下才可能，此时液体中的结构起伏和能量起伏瞬间满足形核条体中的结构起伏和能量起伏瞬间满足形核条件，晶胚继续长大。件，晶胚继续长大。10形核率形核率形核率形核率指在单位时间、单位体积母相中形成的晶核数目。指在单位时间、单位体积母相中形成的晶核数目。形核功因子形核功因子，正比于，正比于exp(Gk/kT),故随着过冷度增大而增大故随着过冷度增大而增大原子扩散因子原子扩散因子，正比于，正比于exp(GA/kT),故随过冷度的增大而减少故随过冷度的增大而减少形核率随过冷度增大而增大，超过极大值后，形核率又随过冷形核率随过冷

7、度增大而增大，超过极大值后，形核率又随过冷度进一步增大而减小。度进一步增大而减小。11临界过冷度临界过冷度过冷度增大，晶胚最大尺寸增大，而临界晶核半径减小过冷度增大，晶胚最大尺寸增大，而临界晶核半径减小只有晶胚尺寸大于临界晶核半径才可能继续长大，所以存在只有晶胚尺寸大于临界晶核半径才可能继续长大，所以存在临界过冷度临界过冷度TH，纯金属纯金属-0.2Tm，形核率突然增大的温度形核率突然增大的温度称为称为有效形核温度有效形核温度。实际工程中的过冷度仅为实际工程中的过冷度仅为20o-非均匀形核非均匀形核12非均匀形核非均匀形核晶核优先依附于母相中现成固体表面上形成。晶核优先依附于母相中现成固体表面

8、上形成。1314不均匀形核时，临界球冠的曲率半径与均匀形核时球不均匀形核时，临界球冠的曲率半径与均匀形核时球形晶核的半径是相等的。形晶核的半径是相等的。GK=0=0 固体本身即为晶核固体本身即为晶核GK=GK 固体本生无作用固体本生无作用GK 平面平面 凸曲面凸曲面因此常在模具裂缝或小孔处形核因此常在模具裂缝或小孔处形核非均匀形核时在较小的过冷度下非均匀形核时在较小的过冷度下可获得较高的形核率可获得较高的形核率16粗糙界面各位置原子等效迁移，界面法向垂直式长大，粗糙界面各位置原子等效迁移，界面法向垂直式长大，Tk=0.01-0.05oC，成长速度很快。成长速度很快。粗糙界面长大粗糙界面长大正温

9、度梯度：单向冷却，界面处于正温度梯度：单向冷却，界面处于Tm等温面等温面 微观粗糙、宏观平整微观粗糙、宏观平整17负温度梯度：双向冷却，凸起处满足过冷度要求负温度梯度：双向冷却，凸起处满足过冷度要求 宏观粗糙，树枝状结晶宏观粗糙，树枝状结晶18光滑界面长大光滑界面长大有台阶处不断增加有台阶处不断增加无台阶处先行成二维晶核无台阶处先行成二维晶核Tk=1-2 oC，螺位错：永不消失的台阶，速度较慢螺位错：永不消失的台阶，速度较慢19T形形核核与与长长大大率率形核率形核率长大率长大率206.3 固溶体凝固固溶体凝固固溶体结晶的特点：固溶体结晶的特点：温度区间；温度区间；平衡结晶平衡结晶-相图规律相图

10、规律非平衡结晶非平衡结晶-偏析偏析结晶过程结晶过程L/SL/S界面处两相成分始终保持局部动态平衡。界面处两相成分始终保持局部动态平衡。结晶过程由形核和长大组成，由于固结晶过程由形核和长大组成，由于固/液成分不同，形核时还需要成分起伏。液成分不同，形核时还需要成分起伏。21平衡凝固平衡凝固合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度用平衡分配系数来表示：用平衡分配系数来表示：K K0 0=C=CS S/C/CL L22稳态凝固稳态凝固（正常凝固）（正常凝固）平衡凝固困难，所以设定凝固后固相成分稳定而液相成分可变平衡凝固困难，所以设定凝固后固相成

11、分稳定而液相成分可变液相充分流动，但固液相充分流动，但固/液界面位置有一层不流动只扩散的边界层液界面位置有一层不流动只扩散的边界层K K0 011，则界面位置有溶质聚集，边界外液相成分均匀（则界面位置有溶质聚集，边界外液相成分均匀（C CL L）B B固固/液界面局部平衡，有（液界面局部平衡，有（C CS S）i i=k=k0 0（C CL L）B B当固相向边界层扩散速度当固相向边界层扩散速度=边界层向液相扩散速度，稳态过程边界层向液相扩散速度，稳态过程有效分配系数有效分配系数k ke e凝固速度凝固速度边界层厚度边界层厚度扩散系数扩散系数23不同凝固速度的讨论不同凝固速度的讨论凝固极慢，熔

12、体充分混合均匀：凝固极慢，熔体充分混合均匀：凝固极快，熔体不对流不混合：凝固极快，熔体不对流不混合：凝固介于二者之间：凝固介于二者之间：24成份过冷：成份过冷：正的温度梯度下，不满足过冷条件的液相，正的温度梯度下，不满足过冷条件的液相，由于固溶体凝固时界面处的成分聚集，使该位置实际温度由于固溶体凝固时界面处的成分聚集，使该位置实际温度低于液相线温度，满足凝固的过冷条件，产生成分过冷。低于液相线温度，满足凝固的过冷条件，产生成分过冷。25成份过冷条件成份过冷条件温度梯度温度梯度凝固速度凝固速度扩散系数扩散系数液相线斜率液相线斜率材料成分材料成分溶质平衡分配系数溶质平衡分配系数2627成分过冷对固

13、溶体形貌的影响成分过冷对固溶体形貌的影响平面状生长平面状生长胞状生长胞状生长树枝状生长树枝状生长286.4 共晶合金凝固共晶合金凝固包括形核和长大两个过程，包括形核和长大两个过程，共晶温度以下时，过冷液共晶温度以下时，过冷液体含有两个固相形核的必体含有两个固相形核的必要条件。要条件。分别形核，分别长大，分别形核，分别长大，互相促进互相促进+LL+L L+29形成领先相形成领先相排排出另外组元并在周围富集出另外组元并在周围富集作为作为另另一相形核的基一相形核的基底底交交替形核，反复促进替形核，反复促进迅速生长，搭桥分支迅速生长，搭桥分支交交替分布替分布两相生长相互促进，成长方向和散热方向一致两相

14、生长相互促进，成长方向和散热方向一致-共晶凝固迅速共晶凝固迅速为了降低界面能，二相存在一定的位相关系为了降低界面能，二相存在一定的位相关系Al-CuAl2中中:(111)Al/(211)CuAl2,110 Al/120 CuAl230共晶合金组织形貌共晶合金组织形貌共晶形成的两相性质和数量比例影响凝固状态共晶形成的两相性质和数量比例影响凝固状态v粗糙粗糙粗粗糙界面（糙界面（金属金属-金属金属）：）：两相性质相近两相性质相近，靠单原子迁移生长，二者均匀并肩长大，靠单原子迁移生长，二者均匀并肩长大，成为简单层片状。片厚度比例等于相数量比例。成为简单层片状。片厚度比例等于相数量比例。当其中某一相数量

15、较少时，因为过薄而收缩成棒状、纤当其中某一相数量较少时，因为过薄而收缩成棒状、纤维状维状片间距取决于过冷度，冷速增大，过冷度增大，片间距片间距取决于过冷度，冷速增大，过冷度增大，片间距减小，增加相界面，强度提高。减小，增加相界面，强度提高。采取定向凝固，控制凝固条件采取定向凝固，控制凝固条件G/R，可获得两相具有一定可获得两相具有一定方向和间距的显微共晶组织。方向和间距的显微共晶组织。3132v粗糙粗糙平滑界面平滑界面（金属金属非非金属金属）两相微结构不同，共晶组织形状复杂不规则两相微结构不同，共晶组织形状复杂不规则金属相为粗糙界面，过冷度小，超前于非金属任意长大，生金属相为粗糙界面，过冷度小

16、，超前于非金属任意长大，生长各相异性，滞后的非金属在余下空间内枝化或停止。或重长各相异性，滞后的非金属在余下空间内枝化或停止。或重新形核长大成各种形状。新形核长大成各种形状。非金属与液相成分差别大，造成更大的成分过冷，加速形核非金属与液相成分差别大，造成更大的成分过冷，加速形核长大，动态过冷所占比重较小，而且各向异性使形状复杂。长大，动态过冷所占比重较小，而且各向异性使形状复杂。33v光滑光滑-光滑界面光滑界面（非金属非金属-非金属非金属）34v第三组元对共晶组织的影响第三组元对共晶组织的影响共晶凝固时两相均排出第三组元，出现成共晶凝固时两相均排出第三组元，出现成分过冷，使整个液分过冷，使整个液/固界面为胞状，纵断面固界面为胞状，纵断面为扇形。为扇形。在金属在金属非金属中加入少量第三组元，改非金属中加入少量第三组元，改变组织形态的处理称为变组织形态的处理称为变质处理变质处理。Fe-C中加入中加入Mg、RE，石墨性状改变石墨性状改变AlSi中加入中加入Na盐盐变质剂变质剂，Na离子阻碍离子阻碍Si晶体长大。使共晶点向右下移动。使共晶晶体长大。使共晶点向右下移动。使共晶甚至过共晶成分的合金