第四章 多相合金的凝固

第四章
单相及多相合金的结晶
刘洪喜
昆明理工大学材料科学与工程学院
主要内容
一、凝固过程溶质再分配
二、合金凝固界面前沿的成分过冷
三、成分过冷对合金单相固溶体结晶形态的影响
四、共晶合金的凝固
一、绝对平衡凝固条件下的溶质再分配
平衡凝固：是指液、固相溶质成分完全达到平衡状态图对应温度的平衡成分，即固、液相中成分均能及时充分扩散均匀
只是理想状态。

对于合金中含诸如
溶质原子时，在通常凝固条件下，可近似认为按平衡情况凝固
()⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎝⎛−+=−'00011'x D R L L e K K C x C ()
0001−=s S f C K C ⎩⎨⎧⎭
⎬
⎫
=−=−−∗)1(0)
1(0)1(E E K L L K s E s f C C f C K C
材料因素工艺因素
材料因素
胞状晶往往不是彼此分离的晶粒，在一个晶粒的界面上可形成许多胞状晶，这些胞状晶源于一个晶粒“痘点”状界面不规则胞状晶界面狭长胞状晶界面规则胞状晶界面
铅锡合金不同成分过冷（由小到大）胞状晶界面的演变
的等轴树枝晶，即等轴晶，又称八面体微晶发展为树枝晶干的过程
2.0S G ΔAl-Al 3Ni 棒状共晶
（上——纵截面，下——横截面）
Pb-Sn 层片状共晶
Al-Si共晶合金组织长大过程的数值模拟
两相非偶合生长形成不规则共晶规则共晶体
a) 琥珀睛-茨醇共晶, b) 偶氮苯-苯偶酰共晶, c) 四溴化碳-六氯乙烷。

第四章二元合金相图与合金凝固一、本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图二、1.填空1 相律表达式为___f=C-P+2 ___。

2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分_______起伏。

3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。

4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。

5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。

6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。

7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶。

第四章二元合金相图与合金凝固一、填空1. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有起伏。

2. 按液固界面微观结构，界面可分为和。

3. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是，光滑界面晶体的长大机制是和。

4 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生偏析，用热处理方法可以消除。

5 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为状。

6. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为。

7 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数k e= ，当凝固速率很大时k e趋于。

8. 在二元相图中，L1→α+L2叫反应，β→L+α称为转变，而反应α１—α２＋β称为反应，α+β→γ称为反应。

9 Fe-Fe3C相图中含碳量小于为钢，大于为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由和两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是，是固溶体，铁素体是，其晶体结构是，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含量是；珠光体的含碳量是，它是由和组成的两相混合物；莱氏体的含碳量是；在常温下，亚共析钢的平衡组织是，过共析钢的平衡组织是，亚共晶白口铸铁的平衡组织是，莱氏体的相组成物是，变态莱氏体的相组成物是，Fe3C I 是从中析出的，Fe3C II是从中析出的，Fe3C III是从中析出的，它们的含碳量为，Fe3C主要性能特点是，A共析反应后的生成物称为。

2 问答1 如图4-1所示为Ni-Al相图1）填出相图中各相区的平衡相；2）指出图中的稳定化合物和不稳定化合物；3）写出图中存在的恒温反应，指明反应类型；4）指出含Ni 30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程，计算室温下的相组成与组织组成，并计算出其中组织组成物的百分数。

5）试说明含Ni89%（重量）的Ni-Al合金其平衡凝固与非平衡凝固后的显微组织的不同。

6）设X合金平衡凝固完毕时的组织为α（Al）初晶+(α+β)共晶，其中α初晶占80%，则此合金中Ni组元的含量是多少？7）绘出1500ε时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图。

第二章 凝固温度场P498. 对于低碳钢薄板，采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形（背面均匀焊透）。

采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果？为什么？解：采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板可能会出现烧穿，这是因为不锈钢材料的导热性能比低碳钢差，电弧热无法及时散开的缘故；相反，采用同样焊接规范去焊同样厚度的铝板可能会出现焊不透，这是因为铝材的导热能力优于低碳钢的缘故。

9. 对于板状对接单面焊焊缝，当焊接规范一定时，经常在起弧部位附近存在一定长度的未焊透，分析其产生原因并提出相应工艺解决方案。

解：（1）产生原因：在焊接起始端，准稳态的温度场尚未形成，周围焊件的温度较低，电弧热不足以将焊件熔透，因此会出现一定长度的未焊透。

（2）解决办法：焊接起始段时焊接速度慢一些，对焊件进行充分预热，或焊接电流加大一些，待焊件熔透后再恢复到正常焊接规范。

生产中还常在焊件起始端固定一个引弧板，在引弧板上引燃电弧并进行过渡段焊接，之后再转移到焊件上正常焊接。

第四章 单相及多相合金的结晶 P909.何为成分过冷判据?成分过冷的大小受哪些因素的影响? 答: “成分过冷”判据为:R G L ＜NLD RLL L e K K D C m δ-+-0011当“液相只有有限扩散”时，δN =∞，0C C L =，代入上式后得R G L＜000)1(K K D C m L L -( 其中: G L — 液相中温度梯度 R — 晶体生长速度 m L — 液相线斜率 C 0 — 原始成分浓度 D L — 液相中溶质扩散系数 K 0 — 平衡分配系数K )成分过冷的大小主要受下列因素的影响:1）液相中温度梯度G L , G L 越小,越有利于成分过冷 2）晶体生长速度R , R 越大,越有利于成分过冷 3）液相线斜率m L ,m L 越大,越有利于成分过冷 4）原始成分浓度C 0, C 0越高,越有利于成分过冷 5）液相中溶质扩散系数D L, D L 越底,越有利于成分过冷6）平衡分配系数K 0 ,K 0＜1时，K 0 越 小,越有利于成分过冷；K 0＞1时，K 0越大,越有利于成分过冷。

第四章 单相及多相合金的结晶⎪⎩⎪⎨⎧⇒⎪⎭⎪⎬⎫⇒⇒⇒⎪⎩⎪⎨⎧⎭⎬⎫⇒−⇒材料的性能、应力状态气孔、裂纹、缩孔缩松不同相之间分布特征晶体形貌、微观尺寸、宏观及微观成分偏析影响影响“溶质再分配”对流扩散相重新分布溶质也必然在固、液两均发生改变及随温度下降，液前沿富集固体排出的溶质在固不同与同一温度下，凝固过程L S L S C C C C本章从凝固过程溶质再分配的规律谈起，着重讨论所涉及到的“成分过冷”条件及其对合金凝固组织的影响规律、单相固溶体合金及多相合金的凝固。

并为后续章节的内容的讨论奠定基础。

节 凝固过程溶质再分配一、绝对平衡凝固条件下的溶质再分配所谓绝对平衡凝固是指液、固相溶质成分完全达到平衡状态图对应温度的平衡成分。

这时，假设固相、液相中成分均及时充分扩散均匀。

如图4-1所示，设试样从一端开始凝固.。

开始时：T=T L 时，C S =K 0C 0，C L = C 0。

凝固过程中：T=T *，固-液界面上成分为C s C S =∗，C L L C =∗， 固相及液相的质量分数分别为S f 及L f ，图4-1 绝对平衡凝固条件下溶质再分配a）开始凝固，b）温度T*时的凝固，c）凝固完毕，d）相图于是有 )1(0=+=+L S L L S f f C f C fs C 即 00)1(C f K C f C S S S S =−+∗∗ 整理得： SS f K C K C )1(1000−−=∗ 凝固终了时1=s f ，固相成分均匀地为C S =C 0。

平衡凝固只是一种理想状态，在实际中一般不可能完全达到，特别是固相中原子扩散不足以使固相成分均匀。

对C 、N 、O 等半径较小的间隙原子，由于固、液相扩散系数大，在通常铸造条件下，可近似认为按绝对平衡情况凝固。

二、固相无扩散而液相中完全混合的溶质再分配这种情况假设溶质在固相中没有扩散，而溶质在液相充分混合均匀。

如图4-2所示，设试样从一端开始凝固。