溶质分配与成分过冷

材料成形技术基础知识点总结滑移系：晶体中一个滑移面及该面上的一个华滑移方向的组合。

纤维组织：金属经冷加工变形后，晶粒形状发生改变，其变化趋势大致与金属的宏观变形一致，若变形程度很大，则晶粒呈现一片纤维状的条纹。

拉深：当凸模下降与坯料接触，坯料首先弯曲，于凸模圆角接触的材料发生胀形形变，凸模继续下降，法兰部分坯料在切向压应力，径向拉应力的作用下沿凹模圆角向直壁流动，形成筒部，进行拉深变形。

自发形核：在单一的液相中，通过自身的结构起伏形成新相核心的过程。

非自发形核：在不均匀的液体中，依靠外来杂质和容器壁面提供衬底而进行形核的过程。

焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上的某一点温度随时间变化的过程。

焊接残余应力：由于焊接过程中的不均匀加热等因素而导致的焊接结构中存在残余应力。

温度场：加热和冷却过程中某一瞬间温度分布。

材料成型过程中的三种流：材料流，能量流，信息流。

液态金属在凝固和冷却到室温时发生：液态，凝固，固态三种收缩。

减小及消除焊接残余应力的措施有：热处理，温差拉伸，拉力载荷，爆炸冲击，振动法等。

液态金属结构：液态金属有许多近程有序的原子集团组成，原子集团内部原子规则排列，其结构与原固体相似；有大的能量起伏，激烈的热运动和大量的空穴；所有原子集团和空穴时聚时散，时小时大，始终处于瞬息万变的状态。

形核剂应具备哪些条件：失配度小，粗糙度大，分散性好，高温稳定性好。

加工硬化：金属经冷塑性变形后，随着变形程度的增加，金属的强度硬度增加，而塑性韧性降低，这种现象叫。

其成因与位错的交互作用有关，随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错反应和相互交割加剧，结果产生固定割阶，位错缠结等障碍，以致形成胞装亚结构，使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动，这样，要使金属继续变形就需要不断增加外力才能克服位错间强大的交互作用力。

滑移变形时通常把滑移因子u为0.5或接近0.5的取向称为软取向，把u为0或接近0 的取向称为硬取向。

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。

8.5 单相合金的结晶—溶质再分配与成分过冷Crystallization of single phase alloy--Solute redistribution and constitutional undercooling溶质再分配固液两相成分不同除纯金属外，单相合金的结晶是在固液两相区间内完成溶质再分配类似于凝固潜热的释放随着凝固过程的进行，由于固液两相成分差，越来越多的溶质原子被排出，释放到前方液相中与凝固潜热释放不同，液相中溶质扩散不可能很快均匀除间隙固溶体外，溶质原子在固相中扩散系数比液相低4个数量级液相中溶质扩散系数比热扩散系数也要低4个数量级溶质再分配具体分配形式与决定传质过程的动力学因素密切相关，决定着界面处，乃至固液两相内部成分变化溶质再分配影响到宏观及微观成分及偏析现象、晶体的生长形态、组织分布，一定程度上决定了材料各种性能同温度分布一样，溶质再分配也是合金结晶一大特点，二者共同控制晶体生长行为相图基本知识对于单相合金，将液相线和固相线近似看成直线当合金成分为C 0时液相线及液相线斜率m l 固相线及固相线斜率m s00*C m T T l l +=液相线温度00*C m T T s s +=固相线温度当合金成分为T 时()l l m T T C /0−=液相成分()ss m T T C /0−=固相成分平衡溶质分配系数平衡溶质分配系数s l ls m m c c k ==**0液固相直线：k 0为常数固相和液相内部的成分始终相等结晶初期，T = T L 时：C S *=C 0k 0，C L *=C 0结晶末期，T = T S 时：C S *=C 0，C L *=C 0/k 0平衡条件下溶质再分配-杠杆定律合金原始成分为C 0，固液两相在某一瞬间平衡成分为C S *与C l *，相应质量分数为f S *和f l *，则有：****c f c f c l l s s =+平衡结晶中溶质再分配;)1(10*00*k f k c c s s −−=)1(0*00*k f k c c l l−+=平衡条件下溶质再分配-杠杆定律A-B相图一部分液相线温度附近（凝固初期）固相线温度附近（凝固末期）液固相线区间内（中间阶段）近平衡/非平衡条件下溶质再分配一般条件下：溶质原子在液态金属中扩散系数为5×10-9m 2/s数量级溶质原子在固相中的扩散系数为5×10-12m 2/s数量级平衡凝固是指液、固相溶质成分完全达到平衡相图对应的平衡成分，即固、液相中成分均能及时充分扩散均匀平衡结晶极难实现，实际结晶过程都是近/非平衡结晶几种情况下溶质分配系数平衡凝固：平衡分配系数（界面与固液相内部均平衡）近平衡凝固：有效分配系数（仅界面处相平衡）非平衡凝固：非平衡分配系数（均不满足相平衡）近平衡凝固条件下溶质再分配-Scheil 公式凝固时，固相原子来不及扩散，液相中如存在足够对流和搅拌，任一温度下都能保证液相溶质原子的均匀分布，其成分沿着液相线变化除间隙固溶体外，溶质原子在固相中扩散系数比液相低四个数量级近平衡凝固条件下溶质再分配-Scheil 公式以水平圆棒自左向右单向结晶为例。

成份过冷的名词解释在科学领域中，有一种现象被称为成份过冷。

成份过冷是指当物质的成分超过其平衡浓度，而仍然保持在液体状态下的现象。

这种现象通常在溶液、合金或玻璃中发生，虽然其具体机理还存在争议，但成份过冷已成为许多领域的研究热点。

1. 成份过冷的现象成份过冷是指当溶液中溶质的浓度超过其平衡浓度时，溶质仍然保持在溶液中的液体状态。

这种现象的发生可能是由于溶质分子之间的相互作用力的影响，以及溶剂分子结构的变化而导致。

例如，当饮用水中溶解的盐超过饱和度时，即超过了水能够容纳的最大盐量，溶解过程会变得不稳定。

在这种情况下，溶质颗粒会发生不规则的聚集，形成云雾状的物质。

这种云雾状的物质具有液体的性质，但其成分又超过了平衡浓度，因此被称为成份过冷。

2. 成份过冷的机制成份过冷的具体机制还存在许多争议。

一种观点认为，成份过冷发生时，溶质分子之间的相互作用力会增强，使得分子更难逸出溶液而形成固体。

这种观点解释了为什么成份过冷的物质具有液体的性质，而非固体。

另一种观点则认为，成份过冷是由于溶剂分子结构的变化导致的。

溶剂分子在过冷的状态下，其结构可能发生改变，导致成分超过平衡浓度的物质仍能保持液体状态。

这种观点强调了溶剂分子的动力学行为对成份过冷的影响。

无论是哪种观点，成份过冷的机制都需要进一步的研究和实验证实。

目前，科学家们正在利用先进的实验和计算方法，以及对成份过冷物质的结构和性质的深入了解，来揭示这个现象的奥秘。

3. 成份过冷的应用成份过冷现象在实际应用中具有一定的价值。

例如，在材料科学中，研究成份过冷现象可以帮助人们设计新型合金材料，以改善其力学性能和稳定性。

利用成份过冷的特性，可以制备出具有良好性能的金属玻璃材料，这在传统金属材料中是很难实现的。

在药物制剂领域，成份过冷现象也有着重要的应用。

药物的溶解度常常与其生物利用度相关，过冷状态下的药物溶液可以提高溶解度，从而增加其吸收速率和生物利用度。

这为药物的研究和开发提供了新的思路和方法。

一、名词解释1、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；2、粗糙界面：原子散乱随机分布在界面上，形成一个坑坑洼洼、凹凸不平的界面层，其微观上是粗糙的；3、均质形核：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程；4、能量起伏：有一些原子的能量大于或大大超过原子的平均能量，而有的原子的能量则小于平均能量，这种能量的不均匀性称为能量起伏；5、加热斑点：热源把热能传给工件是通过一定的作用面积进行的，对于焊接圆弧来说，这个面积称为加热斑点；6、流动应力：对应于变形过程某一瞬时进行塑性流动所需的真实应力叫做该瞬时的屈服应力，也叫做流动应力；7、边界摩擦：在被压平的峰顶与工、模具表面之间，或者保留了很薄的一层润滑膜，或者这层膜被挤掉出现了黏膜，这种摩擦状态；8、应变增量：变形过程中某一微小阶段的应变；9、加工硬化：由于塑性变形使金属内部组织发生变化，金属的强度，硬度增加，塑性韧性降低的现象；二、填空1、世界液态金属内部存在能量起伏、浓度起伏和相起伏；2、焊接过程有以下一些特点：热源的局部集中性和焊接热过程的瞬时性和热源的运动性；3、衡量界面张力大小的标志是润湿角的大小，润湿角越小，说明界面能越小；4、影响滞粘性的因素有：温度、化学成分和非金属夹杂物；5、当液态金属中出现晶核时，体系自由能的变化由两部分组成：一部分是液态和固态体积，它是相变的驱动力，另一方面是由于出现了固-液界面，使体系增加了界面自由能差Gv能，它是相变的阻力；6、成形件中的裂纹按材料中裂纹的形成机理分为热裂纹、冷裂纹和应力腐蚀裂纹；三、简答题1、变形温度、变形速度对塑性有何影响？塑性来讲，变形温度越高，加工硬化的同时材料的回复机制(动态回复或动态再结晶)启动，材料的塑性越好;与此相反，变形速度越高，加工硬化的越厉害，材料表现出较差的塑性；2、减小或消除残余应力的措施：减小：（1）设计措施：减少焊缝数量；避免焊缝过于集中，采用拘束度小的结构形式（2）工艺措施：采用合理的装配焊接顺序和方向，缩小焊接区域结构整体之间的温差，降低焊缝拘束度，加热其他部位，使焊缝膨胀自由度加大，减小压缩塑性变形；消除：自然时效：将存在残余应力的铸件放在露天环境中数月至半年以上，让应力自然消失的过程为自然时效人工时效：将铸件缓慢加热到塑性转变温度Tk以上，相变温度Tcr以下（对于铸铁，加热温度为650~700℃），较长时间保温，然后缓慢冷却以消除残余应力的热处理方法为人工时效共振时效：利用激振器的激振作用使铸件发生共振，从而消除铸件残余应力的方法为共振法3、简述晶体宏观长大方式和微观长大方式：宏观：（1）表面细晶粒区的形成：当金属浇入温度较低的铸型时，与铸型接触的一层金属液受到强烈激冷，产生很大的过冷而大量生核，这些晶核迅速长大并互相连接在一起，形成无方向性的表面细晶粒区。

1.粘度：指熔体在不同层面存在相对运动时才表现出来的物理性能，其本质反映的是质点间结合力大小。

2.金属遗传性：广义上说，金属的遗传性理解为在结构上（或性方面），由原始炉料通过熔体阶段想铸造合金的信息传递。

具体体现在原始炉料通过熔体阶段对合金零件凝固组织、力学性能以及凝固缺陷的影响。

3.半固态铸造：所谓金属半固态成型，就是在其凝固过程中，对金属施加剧烈的搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，即改变初生固相的形核和长大过程，得到的一种液态金属熔体中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固—液混合浆料，然后利用此浆料进行成型的工艺。

4.充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属的充型能力。

5.非均质形核：是指在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行形核的过程，也称为异质形核或非自发形核。

6.临界形核半径：只有大于临界半径的晶胚才可以作为晶核稳定存在，此时的晶胚称为临界晶核，其大小称为临界形核半径。

7.平衡分配系数：决定固—液界面两侧溶质成分分离的系统热力学特性可用平衡分配系数k0表示，其定义为在给定的温度T*下，平衡固相溶质浓度C*s 与液相溶质浓度C*L之比。

8.成分过冷：由溶质再分配导致界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过冷称为成分过冷。

9.枝晶间距：枝晶间距指的是相邻同次分枝之间的垂直距离，实际上则用尽享视野下测得的各相邻同次分枝之间距离的统计平均值俩表示。

10.领先相：是指在熔体中率先析出，且能为第二相提供有效衬底，使第二相在其表面上析出，从而确保共晶反应得意进行的那个相。

11.共生生长：结晶时，后相依附于领先相表面析出，形成具有两相共同生长界面的双相核心，然后依靠溶质原子在界面前沿沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元而使两相彼此合作地一起生长。

12.离异生长：两相的析出在空间和时间上都是彼此分离的，因而形成的组织中没有共生共晶的组织特性，这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长。

1、 成分过冷
成分过冷是由于凝固过程当中由于溶质再分配造成的，在凝固界面的前方，会排出溶质原子，那么凝固界面的前方溶质的浓度会升高，而一般的相图的如共晶相图，随着浓度的升高会合金的熔点降低，产生的过冷是成分过冷。

如上图所示，假如是Y 的质量分数是a 的合金凝固，在凝固过程当中，液相线的位置处，固液界面的前凝固的合金会排出溶质原子，使得固液界面前面溶液实际的溶质浓度升高，液相线对应的温度降低，产生过冷为成分过冷。

（由企鹅444999222编辑，如有问题或错误欢迎指正） X Y
a。