工学凝固理论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工学凝固理论,物质从液态到固态的转变过程。假设凝固后的物质为晶体，那么称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。,凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。,凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供根底。,金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。,晶体凝固的根本规律,一 、液态材料的构造,构造：长程无序而短程有序。,特点与固态相比：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。,冷却曲线,结晶潜热,结晶温度,结晶过程的分析方法,-,热分析,过冷,结晶潜热,晶体凝固的根本规律,二、 、过冷现象,1过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。,2过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际结晶温度To之差 T=Tm-To,注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进展。,结晶规律：结晶过程是晶核不断形成和长大的过程,晶粒立体长大,液体中瞬时有许多规那么排列的原子团，时聚时散,形核,晶核长大,不断生成新晶核,长大,相碰,晶粒,多晶体,晶体凝固的根本规律,三、结晶过程,1结晶的根本过程：,形核,长大,形成多晶体,两个过程重叠交织,晶体凝固的根本规律,2描述结晶进程的两个参数,形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。,长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。,晶体凝固的根本条件,1 热力学条件,1G-T曲线,自由能随温度、压力而变化 : dG=VdP-SdT 其中，V：体积 ，P：压力冶金系统中，压力可视为常数 ,即dP=0dG/dT=-S,a 是下降曲线：由G-T函数的一次导数确定。,b 是上凸曲线：由二次导数负确定。,d2G/d2T=-Cp/T,c 液相曲线斜率大于固相：,由一次导数大小确定。,二曲线相交于一点，即材料的熔点。,T0, Gv0时, Gk非Gk, 杂质促进形核；,c=180时，Gk非Gk， 杂质不起作用。,晶核的形成,2 非均匀形核,4影响非均匀形核的因素,a 过冷度：N-T曲线有一下降过程。,b 外来物质外表构造：越小越有利。点阵匹配原理：构造相似，,点阵常数相近。,c 外来物质外表形貌：外表下凹有利。图317,晶核的长大,1 晶核长大的条件,1动态过冷,动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。,是材料凝固的必要条件,2足够的温度,3适宜的晶核外表构造。,晶核的长大,2 液固界面微构造与晶体长大机制,粗糙界面微观粗糙、宏观平整金属或合金的界面：,垂直长大。,光滑界面微观光滑、宏观粗糙无机化合物或亚金属材料的界面：,横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。,晶核的长大,晶核的长大,晶核的长大,晶核的长大,3 液体中温度梯度与晶体的长大形态,1正温度梯度液体中距液固界面越远，温度越高,粗糙界面：平面状。,光滑界面：台阶状。,2负温度梯度液体中距液固界面越远，温度越低,粗糙界面：树枝状。,光滑界面：树枝状多面体台阶状。,晶核的长大,结晶动力学,由新相的形核率N及长大速率vg可以计算在一定温度下随时间改变的转变量，导得结晶动力学方程,上式称为约翰逊-梅尔(Johnson-Mehl)动力学方程，并可应用于在四个条件( 均匀形核，N和vg为常数，以及小的值下的任何形核与长大的转变。,凝固理论的应用,一、细化铸态金属晶粒,金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。,在一般情况下, 晶粒越小, 那么金属的强度, 塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化, 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。,细化铸态金属晶粒有以下措施。,凝固理论的应用,1、增加过冷度,一定体积的液态金属中，假设形核率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3s)越大，那么结晶后的晶粒越多， 晶粒就越细小； 晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度, m/s)越快，那么晶粒越粗。,随着过冷度的增加,形核速率和长大速度均会增大。但前者的增大更快，因而比值,N/G,也增大,结果使晶粒细化。,凝固理论的应用,凝固理论的应用,2. 变质处理,变质处理就是在液体金属中参加孕育剂或变质剂，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织。,例如，在铝合金液体中参加钛、锆；钢水中参加钛、钒、铝等。,凝固理论的应用,3.,振动,在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。,4.,电磁搅拌,将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。,凝固理论的应用,二、 单晶体制备,1、意义：单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属单晶也开场应用于某些特殊场合如喷气发动机叶片等。,2、根本原理：根据结晶理论，制备单晶的根本要求是液体结晶时只存在一个晶核，要严格防止另外形核。,3、制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。,1,、垂直提拉法,2,、尖端形核下移法,凝固理论的应用,三、定向凝固技术,1原理：单一方向散热获得柱状晶。,2制备方法。,定向凝固,急冷凝固技术,是设法将熔体分割成尺寸很小的局部，增大熔体的散热面积，再进展高强度冷却，使熔体在短时间内凝固以获得与模铸材料构造、组织、性能显著不同的新材料的凝固方法。急冷凝固技术,超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚稳态构造的金属和非晶态构造的金属。非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。,1非晶金属与合金,2微晶合金。,3准晶合金。,急冷凝固方法按工艺原理可分为三类，即模冷技术、雾化技术和外表快冷技术。,急冷凝固技术,模冷技术、雾化技术,模冷技术,是将溶体别离成连续和不连续的，截面尺寸很小的熔体流，使其与散热条件良好的冷模接触而得到迅速凝固，得到很薄的丝或带。如平面流铸造法，熔体拖拉法。,雾化技术,是把熔体在离心力、机械力或高速流体冲击力作用下，分散成尺寸极小的雾壮熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中凝固 ，得到急冷凝固的粉末。常用的有离心雾化法、双辊雾化法。,由模冷技术和雾化技术所得的制品多为薄片、线体、粉末。,要得到尺寸较大得急冷凝固材料的制品用于制造零件，还需将粉末等利用固结成型技术如冷热挤压法、冲击波压实法等使之在保持快冷的微观组织构造条件下，压制成致密的制品。,急冷凝固技术外表快热技术,外表快热技术,即通过高密度的能束如激光或高能电子束扫描工件外表使工件外表熔化，然后通过工件自身吸热散热使表层得到快速冷却。,也可利用高能电子束加热金属粉末使之熔化变成熔滴喷射到工件外表，利用工件自冷，熔滴迅速冷凝沉积在工件外表上，如等离子喷涂沉积法。,非晶态合金,在特殊的冷却条件下金属可能不经过结晶过程而凝固成保存液体短程有序构造的非晶态金属，一般其构造与液态一样也就是把液态金属原子排列固定到固态。非晶态金属又称为金属玻璃。,非晶态金属具有一系列突出的性能，如具有很高的室温强度、硬度和刚度，具有良好的韧性和塑性。,由于非晶态无晶界、相界、无位错、无成分偏析，所以有很高的耐蚀性及高电阻率、高导磁率、低磁损和低声波衰减率等特性，广泛用于高技术领域。,非晶态合金的制备,非晶态的形成倾向和稳定性，一般用下述参数衡量,A,：,T,G,=T,M,-T,G,T,M,：熔点,T,G,：玻璃化温度,T,G,越小，越易获得非晶态,B,：,T,C,=T,C,-T,G,T,C,：非晶态的晶化温度,T,C,增加，非晶态的稳定性增加,微晶合金,利用急冷技术可以获得晶粒尺寸达微米和纳米的超细晶粒合金材料，我们称之为微晶合金和纳晶合金。,急冷凝固的晶态合金的晶粒大小随冷速增加而减小。作为构造用的微晶合金制备都是由急冷产品通过冷热挤压、冲击波压实法来制备的。微晶构造材料因晶粒细小，成分均匀，空位、位错、层错密度大，形成了新的亚稳相等因素而具有高强度、高硬度、良好的韧性、较高的耐磨性、耐蚀性及抗氧化性、抗辐射稳定性等优良性能。,准晶合金,晶体物质的点阵具有周期性的对称性。对称性是指晶体经某种对称操作后能复原的一种属性。例如在晶体中取一直线令晶体绕该轴转动，假设晶体转360复原一次称为该晶体具有一次对称轴，复原两次称为具有二次对称轴，依此类推。,理论证明，晶体物质只有 1、2、3、4、6五种对称轴。,没有五次及高于六次的对称轴，否那么晶胞不能填满空间，而形成空隙破坏晶体的周期性。,一次对称轴,二次对称轴,三次对称轴,四次对称轴,五次对称轴,六次对称轴,七次对称轴,八次对称轴,思考题,1. 液态金属构造与固态金属构造有何区别，试述小体积液态纯金属结晶过程。,2.什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？,3 比较过冷度、临界过冷度与动态过冷度的区别。,4 形核为什么需要形核功？均匀形核与非均匀形核形核功有何差异？,作 业,1,、 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。,2,、 细化结晶晶粒的途径有那些？为什么？,3,、 液态材料结晶时需要过冷，那么固态材料熔化时是否会出现过热？,􀂗 定义：恒温T*下固相合金成分浓度CS 与液相合金成分浓度CL 到达平衡时的比值:,假设液相线及固相线为直线，那么,K0 的物理意义：对于K01， K0 越小，固相线、液相线张开程度越大，固相成分开场结晶时与终了结晶时差异越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。因此，常将1- K0称为“偏析系数。实际合金的K0 大小受合金类别及成分、微量元素的存在影响。此外，由于液相线及固相线不为直线，所以凝固中随温度的改变而有所变化。,二元金属的凝固,正常凝固,合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度可用平衡分配系数,K,0,表示。,C,0,k,0,C,0,凝固方向,固,液,C,非平衡条件下正常凝固的溶质分配系数,区域熔炼,正常凝固是把质量浓度为内的固溶体合金整体熔化后进展定向凝固，如果该合金通过由左向右的局部熔化，经过这种区域熔炼的固溶体合金，其溶质浓度随距离的变化如下：s=01-1(1-k0)exp(-k0x/l) 上式为区域熔炼方程，表示了经一次区域熔炼后随凝固距离变化的固溶体质量浓度。当k01时，凝固前端局部的溶质浓度不断降低，端局部不断地富集，这使固溶体经区域熔炼后的前端局部因溶质减少而得到提纯，因此区域熔炼又称区域提纯 。,有效分配系数,实际液相不均匀。,液固界面附近有一扩散层, si/(L)B,0/0(0)(),合金凝固中的成分过冷,将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷,称为成分过冷,.,假设k0为常数，那么液相线为直线，其斜率用m表示。由图a可得： TL=TA-mw0/k0式中TL是成分为 L的开场凝固温度，TA是纯A组元的 熔点。最后得这就是图d中曲线的数学表达式。产生成分过冷的条件是温度梯度 ， 于是有,反之，那么不产生成分过冷。,铝合金随成分过冷度的增加，凝固界面形态的演变过程,a)平界面b)痘点状界面c)狭长胞状界面d)不规那么胞状界面e)六角形胞晶f)树枝晶,四、成份过冷与晶体生长形态,凝固界面形态分为：平界面、胞状界面、和树枝界面,当合金成分一致时，随 值的减少，晶体形态由平面晶向胞状晶向胞状树枝晶、柱状树枝和等轴树枝晶转变。,和 对晶体形态的影响,“,成分过冷”与固液界面形貌,胞状晶转变为胞状树枝晶,宏观偏析,宏观偏析通常指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺度的大范围内产生的成分不均匀的现象,1,、正常偏析：对于,1,的合金，外层的一定范围内溶质含量分布由外向内逐渐降低,3,、密度偏析：由于重力作用产生的化学成分不均匀的现象。,共晶合金的凝固,共晶型合金分为规那么共晶和非规那么共晶。,规那么共晶由金属金属组成，属小平面共晶；,非规那么共晶由金属非金属组成，属非小平面小平面共晶。,不同的合金系中，共晶结晶的方式可分为共生生长和离异生长两种。,对共生生长，结晶时后析出相依附于领先相外表析出，形成具有两相共生界面的双相核心，随后由界面前沿两相间的横向扩散作用，互相为对方提供生长所需组元，以此协同生长。,这一点从共晶系平衡相图中也可看出。,a为共晶系平衡组织相图bcd)为吉布斯自由能随温度变化示意图,共生生长需要两个根本条件：,两相生长能力接近，且析出相要容易在先析出相上形核和长大。,两组元在界面前沿的横向传输要能保证两相等速生长的需要。,由于实际凝固过程中动力学条件的限制，实际共生区与前示平衡相图上的共生区会有一定差异。通常要小一些，或是不对称。,对称形 非对称形,离异生长是指共晶合金两相生长时，没有共同的生长界面，两相别离并以不同生长速率而结晶。 离异共晶体可分为晶间偏析型和领先相呈球团型两类。,晶间偏析型合金成分偏离共晶点很远，初生相长得很大且很多时，发生共晶反响，而另一相在初生相上继续长出，最终所得组织如图示。,领先相呈球团型是由于领先相为熔点高的金属，且生长界面为各向异性，此时领先相成球团形态，其他相围绕其外表生长，形成“晕圈。,不完整晕圈的共生生长 封闭晕圈的离异生长,1.二元相图有那些最根本的类型？ 何为匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、有序-无序转变。,2. 何为“杠杆定律，“杠杆定律的应用范围及用途。,3.按含碳量可将铁碳合金分为那几类？它们的力学性能随含碳量的增加有何变化规律？,4.何为平衡分配系数？研究固溶体合金凝固时的溶质分布有何实际意义。,5.固溶体合金凝固时的生长形态如何？受那些因素控制。,思考题,作 业,1、 何为成份过冷？影响成份过冷的因素有那些？,2、 试述区域提纯的原理。,3、 简述枝晶偏析形成过程和消除方法。,4、 分析0.45%C，1.2%C和2.3%C 的铁碳合金的平衡结晶过程，计算室温下组织组成 物的相对量及两相相对量。,5、 根据显微组织分析，一灰口铁内石墨的体积占12%，铁素体的体积占88%，试求该合金的碳含量。,6、 简述铸锭三区的形成机理，采用什么方法可使柱状晶更兴旺？采用什么方法可使中心等轴晶更兴旺？,7、钢中有那些常见杂质？何为钢的“热脆 ？何为钢的“冷脆？如何防止？,谢谢,