合金凝固界面前沿的成分过冷

过冷度对金属凝固的影响金属材料作为支撑国民生活富裕及安全的基础结构材料而大量使用。

随着材料使用方法的多样化，对材料特性的要求也日益严格。

因此，利用现代科学技术开发出高质量和高性能的钢铁材料将具有重大的现实意义。

金属的凝固过程对金属的机械性能特点有重大影响，它决定着该零件组织，包括各种相的形态，大小和分布，直接影响到该零件后面的加工处理工艺，间接地影响了工件的加工性能和使用性能。

而对于铸件和焊接件来说，结晶过程基本上就决定了它的使用性能和使用寿命，而对尚需进一步加工的铸锭来说，结晶过程既直接影响了它的轧制和锻压工艺性能，又不同程度地影响着其制品的使用性能。

因此，研究和控制金属的结晶过程，已成为了提高金属力学性能和工艺性能的重要手段。

而金属的结晶过程总是伴随着过冷，可以说研究金属的结晶过程就是相当于研究结晶过程对过冷的控制。

1过冷度的概念1.1几种过冷定义过冷：金属理论凝固温度与实际温度之差。

即图1中的ΔT。

图1：过冷度热过冷：金属凝固时所需过冷度完全由传热所提供。

仅由熔体实际温度分布决定。

成分过冷：凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变而在液固界面前液相内形成的过冷。

这种由固-液界面前方溶质再分配引起的过冷，称为成分过冷。

由界面前方的实际温度和液相线温度分布两者共同决定。

成分过冷不仅受热扩散的控制，更受溶质扩散的控制。

1.2过冷现象实验表明纯金属的实际凝固温度Tn总比其熔点Tm低，这种现象叫做过冷。

金属实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，称为过冷度，用△T表示。

其大小取决于：1）液态金属的本性，金属不同，△T也不同；2）纯度越高，△T越大；3）冷却速度越快，△T越大。

但无论多慢也不能在Tm结晶。

2金属结晶的必要条件2.1过冷是结晶的必要条件由热力学规律可知，在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。

如果液相的自由能比固相的自由能低，那么金属将自发地从固相转变为液相，即金属发生熔化。

如果固液界面前沿液体中温度梯度为正，固液界面呈平面壮成长；而当温度为负时，则固液界面呈树枝状成长。

在固溶体合金结晶时，即使固液界面前沿液体中的温度梯度为正，也经常发现其呈树枝状成长，还有的呈现胞状成长。

造成这一现象的原因是由于固溶体合金在结晶时，溶质组元重新分布，在固液界面处成溶质的浓度梯度，从而产生成分过冷。

亚共析钢的结晶过程
亚：先析出铁素体，再析出珠光体；
共：同时析出珠光体和渗碳体组织；
过：先析出渗碳体再同时析出渗碳体和珠光体。

滑移和孪生
滑移：是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向，相对于另一部分发生相对的移动的一种运动状态。

（滑移方向与滑移面是平行的）
孪生：当面心立方晶体在切应力左右下发生的变化，这样的切变并未使晶体的点阵类型发生变化，但他却使均匀切变区中的晶体取向发生变更，变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向。

（所需临界切应力比滑移时大得多，）
加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高。

二塑性和韧性降低的现象，又称冷作硬化。

标志着金属抗塑性变形能力的增强。

回复及再结晶（带来的变化）。

名词解释：1.均质形核与非均质形核均质形核：均一液相中以自身结构起伏和能量起伏形成新相的核心的方式。

非均质形核：液态金属中新相以外来质点为基底进行形核的方式。

2.沉淀脱氧与扩散脱氧沉淀脱氧：脱氧剂直接加入液态金属内部与FeO 起作用，生成不溶于液态金属的氧化物，并转入熔渣的脱氧方式。

扩散脱氧：利用FeO 在熔渣和钢液中能够相互平衡，相互转移，使FeO 转移到熔渣中的脱氧方式。

3.最小阻力定律最小阻力定律：当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动。

4.溶质再分配合金凝固过程中，随温度的不同，液、固相平衡成分发生改变，溶质在液、固两相重新分布的现象。

5.长渣与短渣长渣：随温度增高粘度下降缓慢的渣。

短渣随温度增高粘度急剧下降的渣6.简述粗糙界面与光滑界面及其判据。

固－液界面固相一侧的点阵位置有一半左右被固相原子所占据，形成凸凹不平的界面结构，称为粗糙界面；固－液界面固相一侧的点阵位置几乎全被固相原子所占据，只留下少数空位或台阶，称为光滑界面。

根据Jackson 因子大小可以判断： a ≤2 的物质，凝固时固-液界面为粗糙面：a＞2 的物质，凝固时固-液界面为光滑面。

7.简述铸件的凝固方式及影响因素。

铸件凝固方式：体积凝固，中间凝固和逐层凝固方式影响因素包括：金属的化学成分和结晶温度范围大小、铸件断面上的温度梯度。

8.简述晶体生长形貌随成分过冷大小变化的规律。

合金凝固界面前沿由溶质再分配引起的成分变化进而导致液相线温度变化而形成的过冷。

随“成分过冷”程度的增大，固溶体生长方式由无“成分过冷”时的“平面晶”依次发展为：胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶。

9.简述缩孔与缩松的形成条件及形成原因。

缩孔形成原因是金属的液态收缩和凝固收缩之各大于固态收缩，产生条件是铸件由表及里的逐层凝固；缩松形成原因与缩孔相同，产生条件是金属的结晶温度范围较宽，倾向于体积凝固或同时凝固方式。

10.粗糙界面与光滑界面粗糙界面：固－液界面固相一侧的点阵位置有一半左右被固相原子所占据，形成凸凹不平的界面结构；光滑界面：固－液界面固相一侧的点阵位置几乎全被固相原子所占据，只留下少数空位或台阶。

16.简述金属固态扩散的条件。

答：⑴扩散要有驱动力——热力学条件，化学势梯度、温度、应力、电场等。

⑵扩散原子与基体有固溶性——前提条件；⑶足够高温度——动力学条件；⑷足够长的时间——宏观迁移的动力学条件17. 何为成分过冷？它对固溶体合金凝固时的生长形貌有何影响？答：成分过冷：在合金的凝固过程中，虽然实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生了变化，改变了液相的凝固点，此时过冷由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。

成分过冷区的形成在液固界面前沿产生了类似负温度梯度的区域，使液固界面变得不稳定。

当成分过冷区较窄时，液固界面的不稳定程度较小，界面上偶然突出部分只能稍微超前生长，使固溶体的生长形态为不规则胞状、伸长胞状或规则胞状；当成分过冷区较宽时，液固界面的不稳定程度较大，界面上偶然突出部分较快超前生长，使固溶体的生长形态为胞状树枝或树枝状。

所以成分过冷是造成固溶体合金在非平衡凝固时按胞状或树枝状生长的主要原因。

18.为什么间隙固溶体只能是有限固溶体，而置换固溶体可能是无限固溶体？答：这是因为当溶质原子溶入溶剂后，会使溶剂产生点阵畸变，引起点阵畸变能增加，体系能量升高。

间隙固溶体中，溶质原子位于点阵的间隙中，产生的点阵畸变大，体系能量升高得多；随着溶质溶入量的增加，体系能量升高到一定程度后，溶剂点阵就会变得不稳定，于是溶质原子便不能再继续溶解，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。

而置换固溶体中，溶质原子位于溶剂点阵的阵点上，产生的点阵畸变较小；溶质和溶剂原子尺寸差别越小，点阵畸变越小，固溶度就越大；如果溶质与溶剂原子尺寸接近，同时晶体结构相同，电子浓度和电负性都有利的情况下，就有可能形成无限固溶体。

19. 在液固相界面前沿液体处于正温度梯度条件下，纯金属凝固时界面形貌如何？同样条件下，单相固溶体合金凝固的形貌又如何？分析原因答：正的温度梯度指的是随着离开液—固界面的距离Z 的增大，液相温度T 随之升高的情况，即0 dZdT 。