快速凝固中枝晶形态原位观察

一、介绍合金是由两种或更多种金属元素或非金属元素组成的固态溶体，它的性能往往远远优于单一金属。

在合金中，各种成分在凝固过程中的行为和室温平衡组织是影响合金性能的重要因素。

本文将就各种成分合金凝固过程及室温平衡组织进行分析和探讨。

二、合金的凝固过程1. 凝固过程的基本原理当合金熔体冷却到固态温度以下时，会发生凝固过程。

凝固是指液态物质转变为固态物质的物理过程。

凝固过程包括核化和生长两个基本阶段。

在核化阶段，熔体中形成稳定的固相核，然后在生长阶段，这些固相核不断长大，形成完整的晶粒。

2. 各种成分合金的凝固过程各种成分合金的凝固过程会受到各种因素的影响，例如成分比例、凝固速率、晶格匹配度等。

不同成分合金的凝固过程也会有所不同，例如单层金属合金、双金属合金、多元合金等，它们在核化和生长阶段的行为都会有所不同。

三、室温平衡组织1. 室温平衡组织的概念室温平衡组织指的是合金在经过凝固过程后，在室温下所呈现的晶体结构和组织形态。

室温平衡组织对于合金的力学性能、化学性能等都有重要影响。

2. 各种成分合金的室温平衡组织各种成分合金在凝固过程中形成的组织形态也会受到成分比例、冷却速率等因素的影响。

例如在某些条件下，一些成分合金会形成某种晶体结构，而在另一些条件下会形成另一种晶体结构。

不同的室温平衡组织会直接影响合金的性能。

四、影响因素分析1. 成分比例不同成分比例的合金在凝固过程中会形成不同的组织结构。

例如在某些成分比例下，合金会形成等轴晶结构，而在另一些成分比例下会形成柱状晶结构。

2. 凝固速率凝固速率是指合金在凝固过程中的冷却速度。

不同的凝固速率会影响合金的晶体生长速率和晶体尺寸，从而影响室温平衡组织。

3. 晶格匹配度不同成分合金的晶格匹配度也会对凝固过程和室温平衡组织产生影响。

晶格匹配度较好的合金，在凝固过程中晶体生长相对较快，形成的室温平衡组织也会较好。

五、结论各种成分合金的凝固过程及室温平衡组织是一个复杂的物理、化学过程，受到许多因素的影响。

金属的凝固过程观察一、实验目的了解固溶体合金和共晶体合金这两种合金结晶过程的特点和组织特点，为制定铸造工艺得到参考依据。

二、实验原理（1）树枝状结晶及树枝状晶根据结晶理论，固溶体合金结晶时，开始结晶的固溶体的成分可以用平衡分配系数k0表示，假设在一定范围内液相线和固相线均为直线，则平衡分配系数k0为：k0= Ca / Cl式中Ca——给定条件下结晶出的固溶体的成分；Cl——相同条件下与Ca平衡的液相的成分开始结晶出来的固溶体可以认为是球状，在凝固的初期经过形成等轴状的表面凹凸不平的称为晶粒的阶段之后，由于散热条件不同和晶体沿不同方向长大速度不同等原因，继续长大的晶体就会变成树枝状晶体。

由于固溶体和液体的成分不同，因此先结晶的固溶体和后结晶的固溶体成分将会不同。

也就是说，在一个树枝状晶体的大晶粒内部溶质的浓度不同，产生偏析。

若在凝固的过程中将试样水淬，使其快速凝固，则由于急冷凝固的那部分组织(淬火组织)变为非常细的树枝状组织，可以与慢冷的粗大树枝状晶体加以区别。

因此在结晶的不同阶段进行急冷，观察组织可以了解生长阶段的树枝状晶体。

（2）共晶结晶及共晶体有很多合金结晶生成共晶体。

是由相图上的共晶成分的合金液体通过恒温反应生成的。

二元共晶合金的恒温反应如下：Lc→αa+βb式中Lc——成分为c的液相；αa——成分为a的固相；βb——成分为b的另一个固相。

所以把共晶反应叙述为：一个固定成分的液相在恒温下转变成成分和结构不同的另外两种固相的反应。

共晶反应的特点是，溶质和溶剂原子不进行长距离的扩散运输，合金的宏观成分不发生显著的变化。

而新形成的两种固相互相促进形核，共同协调长大。

因此共晶体组织往往带有自身独特的组织形态，很容易与其它组织区分。

共晶体中两相的弥散程度也依赖于冷却速度或结晶速度。

根据这一原理，采用在结晶过程中进行水淬冷却，可以分析不同阶段的共晶体长大的形态和特征。

（3）铝合金铝合金中常加入的元素为Cu、Zn、Mg、Si和Mn以及稀土元素等。

实验九金属及合金凝固组织的观察和分析摘要：通过对金属及合金凝固组织的观察和分析，掌握样品组织的的一般特点。

并结合相图了解几种类型二元合金、三元合金的结晶过程及结晶后的组织，掌握金相组织的分析方法。

关键词：相图、合金凝固组织，结晶过程正文：一、实验背景了解纯金属铸锭粗型组织的一般特点，并结合相图了解几种类型二元合金，三元合金的结晶过程及结晶后的组织。

同时通过实验加深对课程中“凝固”“相图”两章的认识，了解实际组织与组织示意图的关系，达到掌握金相组织分析方法的目的。

二、实验内容1、金属材料的组织分析显微组织指光学显微镜下能够看到的金属材料内部所具有的各组成相的直观形貌。

包括各种相，相的形状、大小、分布以及相对量等。

宏观组织指30倍以下的放大镜或者人的眼睛直接能够观察到的金属材料内部所具有的各组成物的直观形貌。

经侵蚀后的样品在显微镜下可以看到各种形态的组织一般可以归纳成:①单相组织，在显微镜下看到的是许多多边形晶粒组成的多晶体。

可以研究它的晶界、晶粒形状、大小以及晶粒内出现的亚结构。

②两相，可以观察到有两相的花样。

③多相。

2、影响组织变化的条件:①合金成分。

成分不一样,组织就不一样。

②工艺条件。

凝固条件、锻压条件、热处理工艺等。

3、金属及合金凝固组织的观察与分析①铝铸锭低倍组织观察。

②二元合金(匀晶、共晶、包晶)Ni-Cu, Pb-Sn Sn-Sb。

③三元合金(共晶)Bi-Pb-Sn。

三、实验设备及材料1．光学显微镜2．标准样品1）铝锭（用于低倍组织观察）2）显微组织分析样品①二元合金的显微组织观察（分析时参考附录中的相图）1）匀晶类型（Ni-Cu系）样品：a）25%Ni+75%Cu，处理过程：铸造。

b）25%Ni+75%Cu，处理过程：退火。

2）共晶类型（Pb-Sn系）样品：a）70%Pb + 30%Sn；b）38.1%Pb + 61.9%Sn；c) 20%Pb + 80%Sn；铸造。

3）包晶类型（Sn-Sb系）样品：a）80%Sn + 20%Sb；b) 35%Sn + 65%Sb。

Al-4％Cu凝固过程枝晶生长的数值模拟张敏;徐蔼彦;汪强;李露露【摘要】改进了模拟枝晶生长常用的二维元胞自动机和有限差分(CA-FD)模型,新模型引入扰动函数来控制二、三次枝晶的生长;在枝晶生长过程中,将溶质浓度明确地分为液相溶质浓度和固相溶质浓度两部分;并在溶质再分配与扩散过程中采用八邻位差分以减少网格形状导致溶质扩散的各向异性.模拟了Al-4％Cu二元合金过冷熔体中,单个和多个等轴晶沿不同择优方向生长及单方向和多方向柱状树枝晶竞争生长过程中的枝晶形貌、液相溶质浓度和固相溶质浓度分布情况.模拟结果表明:扰动的引入能够促使枝晶产生分支,并控制二、三次枝晶的生长速率;液/固相溶质计算模型能够准确地模拟出枝晶生长过程中液/固相溶质分布;此外改进后的模型实现了枝晶沿任意方向的竞争生长.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2016(044)006【总页数】8页(P9-16)【关键词】数值模拟;元胞自动机法;枝晶形貌;溶质浓度【作者】张敏;徐蔼彦;汪强;李露露【作者单位】西安理工大学材料科学与工程学院,西安710048;西安理工大学材料科学与工程学院,西安710048;西安理工大学材料科学与工程学院,西安710048;西安理工大学材料科学与工程学院,西安710048【正文语种】中文【中图分类】TG292金属材料的性能除与合金元素含量紧密相关外，还受到其微观组织的制约，有效掌握过冷熔体凝固过程的特征是分析和控制凝固后微观组织的最佳途径[1]。

过冷金属在凝固过程中常常以树枝晶的形式形核并生长，因此，长期以来对枝晶生长规律的研究受到国内外专家学者的广泛关注[2-4]。

然而影响合金凝固微观组织的因素很多，仅仅通过实验的方法研究结晶过程不仅耗时、耗力和耗资，而且很难直接观察到枝晶生长的整个过程。

因此，通过数值模拟技术研究凝固规律，预测显微组织具有巨大的研究潜力，近几十年来，通过材料领域科研工作者的共同努力，建立了各种各样的微观组织模拟方法[5-8]，其中最著名的有相场法(Phase Field Method，PFM)[5]和元胞自动机法(Cellular Automaton Method,CAM)[6]。

Ａ．Ｍ．ＭｕｌｌｉｓＦ７｛研究了非稳态流场对枝晶生长的影响，建立一种自由边界模型。

并将其运用到元胞自动机模型中，模拟了蔷薇状晶体的形成，探讨了由传热传质引起的枝晶弯曲程度对蔷薇晶形成的影响。

ＦＥ—ＣＡ模拟过程可简要地概括如下：模拟伊始，计算空间内的元胞状态均设为液态，取状态标志为零。

在冷却过程中，按照预设的形核规则随机选取形核位置，成为新生晶粒的中心；参照晶粒数，将状态标志转变成某随机整数代表其＜１００＞取向。

液态单元通过形核、生长晶粒的捕获转变为固相。

晶粒沿优先生长方向以四边形方式长大，四边形的生长速度由枝晶尖端生长速度矿（△丁）决定，Ｖ（ａＴ）可由ＫＧＴ模型获得。

局部过冷度△丁通过内插宏观单元节点（ＦＥ、ＦＶ）温度获得。

某一时刻，液态邻居元胞被生长状态的四边形扑捕获而转变为固相，其晶体学取向与中心元胞相同。

如此反复，直到所有元胞转为固相。

图卜１元胞自动机二维模拟Ｅ”图１－２元胞自动机三维模拟？ｏＮｏｒｍａｎＨ．Ｐａｃｋａｒｄ建立了第一个枝晶生长的二维元胞自动机模型！。

模型中考察了局部界面曲率、热扩散和潜热释放，定性观察了枝晶生长结构。

英国ｓ．Ｇ．Ｒ．Ｂｒｏｗｎ和Ｊ．Ａ．Ｓｐｉｔｔｌｅ在Ｐａｃｋａｒｄ建立了另一类元胞自动机模型。

模型在ｃＡ的基础上引入ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ算法｝“‘“；，模拟了二维柱状晶与等轴枝晶的生长特性和过冷度与模壁的急冷度对晶粒尺寸的影响。

建立了非等温条件下自由枝晶稳态生长的二维元胞自动机模型，预测了枝晶尖端的生长速度Ｖ与过冷度△ｒ具有ＶｏｏＡＴ６（ｂ为待定指数）的关系，第一次考察了枝晶生长的动力学特征１。

ｊ。

在此基础上，Ｓ．Ｇ．Ｒ．Ｂｒｏｗｎ等建立了柱状枝晶在二元合金系中稳态生长的二维元胞自动机模型，模型强调了成分和局部凝固时间对枝晶形状的影响。

预测了合金成分、温度梯度及生长速度对枝晶形貌演变、晶臂间距的影响ｌ”ｌ，及相邻晶臂通过搭６晶、小计算空间的模拟；吸附动力学在相场方程中起着重要作用。

宝钢技术2016年第1期Fe 6．5%Si 高硅钢凝固过程铁素体相生长行为原位观察王成全1，2，于艳1，方园1，叶丰2（1．宝山钢铁股份有限公司，上海201900；2．北京科技大学，北京100083）摘要：采用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM ）原位观察Fe-6．5%Si 高硅钢凝固过程中铁素体（δ）相生长行为，揭示了不同冷却速率对高硅钢δ相生长行为和形貌的影响。

结果表明，在一定的过冷度下发生L →δ转变，δ相枝晶生长过程中会发生合并现象；随着凝固时间增加，枝晶尖端的粗化速率逐渐降低，L →δ相变开始和结束点延后；通过数据拟合得到二次枝晶臂间距（d ）和冷却速度（Ｒ）关系：d =53．4Ｒ－0．23。

关键词：高硅钢；凝固；δ相；原位观察；共聚焦激光扫描显微镜中图分类号：TG142．1+1文献标志码：B 文章编号：1008－0716（2016）01－0014－05doi ：10．3969/j．issn．1008－0716．2016．01．004In-situ observation of delta phase growth during Fe-6．5%Si highsilicon steel solidificationWANG Chengquan1，2，YU Yan 1，FANG Yuan 1and YE Feng2（1．Baoshan Iron ＆Steel Co．，Ltd．，Shanghai 201900，China ；2．University of Science and Technology Beijing ，Beijing 100083，China ）Abstract ：Delta phase growth process was in-situ observed during Fe-6．5%Si high silicon steel solidification by Confocal Laser Scanning Microscope （CLSM ），and the growth process and characteristics of δphase varies on different cooling rate were also investigated．The results showthat some cellular δphase would combine into a bigger one while liquid to δphase transformation occurred under a certain supercooling．The δphase grow up rate decreased with the δphase radius of curvature increased ，the start and end point of L →δphase transformation would be delay with the cooling rate increased．The curved relationship of Secondary Dendrite Arm Spacing （SDAS ）d with cooling rate Ｒwas showed as ：d =53．4Ｒ－0．23．Key words ：high silicon steel ；solidification ；delta phase ；In-situ observation ；CLSM王成全工程师1979年生2005年毕业于大连理工大学现从事新材料研究电话26641813E-mailwangcq@baosteel．com高硅钢是一种性能优异的软磁材料，当硅钢片中硅含量达到6．5%时，磁致伸缩系数趋于零。

Fe-C等温凝固中的枝晶生长的溶质俘获相场法模拟张超彦;秋艳;佟乐乐【摘要】采用模拟相场法模拟了C的质量分数为1％的铁碳合金等温凝固过程中枝晶生长和溶质分布及溶质俘获对其的影响,研究枝晶尖端半径大小和生长速度之间的关系.结果表明,初始枝晶的溶质浓度最低,二次枝晶之间的区域溶质浓度最高.枝晶生长包括生长和成熟阶段,枝晶的尖端半径大小与生长速度成反比.受溶质俘获的影响,枝晶上的溶质浓度有波动.【期刊名称】《铸造设备与工艺》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】4页(P47-50)【关键词】相场法;枝晶生长;溶质俘获【作者】张超彦;秋艳;佟乐乐【作者单位】徐州工业职业技术学院,江苏徐州221100;徐州工业职业技术学院,江苏徐州221100;中北大学材料学院,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】TG244Fe-C合金是广泛使用的工程材料，其在高温下的微观组织对力学性能有很强的影响，目前在高温下直接观察凝固过程比较困难[1]。

随着计算机科学和凝固理论的发展，通过计算机的计算来模拟凝固过程已成为一种有效的材料模拟方法。

相场法模拟基于Ginzburg-Landau理论，通常被用来模拟枝晶生长[2]。

相场法是解决复杂凝固过程的一种有效方式，目前已得到广泛的应用[3]。

Kim在KKS模型下模拟了Fe-C合金在等温条件下的枝晶生长[4]。

Wanli Qiu[5]、Yan’eNiu 用相场模型研究过冷度、各向异性、界面宽度和方向的选择对Fe-C合金的凝固过程的影响[6]。

YuXie通过Karma相场模型研究了Fe-C合金的定向凝固[7]。

在本次研究中，采用由Ohno和Matsuura开发的相场模型进行模拟[8]，该模型是基于Karma的固相/液相薄界面的相场模型[9-10]，引入溶质俘获，使其能较好地模拟枝晶生长过程和溶质浓度分布。

本文模拟了C的质量分数为1%的Fe-C合金在等温凝固过程中的枝晶生长和溶质浓度。

共焦激光扫描显微镜( Confocal Laser Scanning Microscopy，CLSM)是20世纪80年代发展起来的具有划时代意义的高科技产品之一。

与普通光学显微镜相比，CLSM具有更高的分辨率，可达到0.18μm,并能对观测样品进行分层扫描和三维图像的重建,进行原位动态观察,并对整个过程实时录像,为研究者提供最原始、最直接的信息。

在冶金领域,国内外利用CLSM 对金属液的凝固以及各种相变行为进行研究[1,4],例如夹杂物的聚集长大过程[8],钢铁高温下组织转变[5],合金凝固过程原位观察[3,7], 夹杂物在凝固前沿的捕捉、推进, 析出物的形核长大过程、微观组织的观察[8,9]等。

利用CLSM可以很直观的观察金属在凝固过程中的晶粒生长方式，Hiroshi等通过对Fe-C合金熔体施加不同的温度梯度，可以观察到晶界以平面方式转变为胞晶生长，再到枝晶生长的过程[23]。

[1] Iqbal N, van Dik NH, Offerman SE, Moret MP, Katgerman L,Kearley GJ. Real-time observation of grain nucleation and growth during solidification of aluminium alloys. Acta Mater, 2005(53):2875–80.[4] Zhang D, Terasaki H. Y-I. Komizo. In situ observation of the formation of intragranular acicular ferrite at non-metallic inclusions in C-Mn steel. Acta Mater 2010(58):1369–78.[ 23 ] Hiroshi Chikama, Hiroyuki Shibata.“In- situ”real time observation of planar to cellular and cellular to dendritic transition o f crystals g rowing in Fe-C alloy melt，Materials Transactions, JIM, 1996, 37( 4) :620- 626[21] M.M. Attallah, H. Terasaki, R.J. Moat, S.E. Bray, Y. Komizo, M. Preuss .In-Situ observation of primary γ′ meltingin Ni-base superalloy using confocal laser scanning microscopy ,Materials Characterization, 2011, Volume 62, Issue 8, Pages 760-767[5]谭威,季根顺,张建斌,贾建刚,南雪丽,. 节镍奥氏体不锈钢加热过程中γ→δ转变的原位观察[J]. 材料热处理学报,2011,(10).[2]王盛林,高莉伟,黄福祥,王新华,. 共焦激光扫描显微镜在冶金中的应用[J]. 冶金分析,2011,(7).[3]缪竹骏,单爱党,王威,卢俊,徐文亮,宋洪伟,. 利用共聚焦扫描激光显微镜观察一种常见高温合金的凝固过程(英文)[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2011,(2).[8]黄福祥,张炯明,王新华,王盛林,方园,于艳,. 夹杂物在钢液凝固前沿行为的原位动态观察[J]. 钢铁研究学报,2008,(5).[9]王成全,于艳,方园,李廷举,. 薄带连铸304不锈钢碳化物析出及溶解过程的原位观察[J]. 钢铁研究学报,2007,(9).[6]方园,梁高飞,朱光明,王成全,吴建春,于艳,. 共焦激光扫描显微镜及其在钢铁相变原位观察中的应用[J]. 宝钢技术,2006,(6).[7]靳全伟,陈长乐,段萌萌,雷松鹤,. 快速凝固中枝晶形态原位观察[J]. 特种铸造及有色合金,2006,(9).。

实验2凝固界面形态演化与成分过冷实验2 凝固界面形态演化与成分过冷一、实验目的（1）观察Al-Cu二元合金凝固界面演化过程，认识平界面、胞状界面和枝晶状界面凝固方式，掌握工艺参数对界面形态的影响规律。

（2）实验测定Al-Cu二元合金凝固界面前沿的溶质分布，加深对成分过冷判据的认识。

二、实验原理纯金属凝固时的界面形态只取决于界面前沿液体中的温度分布。

如果界面处液相一侧具有正的温度梯度，则界面前沿液体中的过冷区域及过冷度均很小，凝固时产生的结晶潜热的传出方向与固液界面的推进方向相反，固液界面各个部分始终以大致相同的速度向前推进，凝固保持平界面方式。

如果界面处的液相具有负的温度梯度，则固液界面前沿液体中的过冷区域较大，且液体中的过冷度随着距固液界面的距离延长而增大，此时，平的固液界面将被破坏，宁国过程趋向于以树枝晶生长的方式进行。

金属凝固需要一定的过冷度，由热量传输过程决定的过冷成为热过冷。

对合金而言，其凝固过程同时伴随着溶质再分配，液体的成分始终处于变化当中，液体中的溶质成分的重新分配改变了相应的固液平衡温度，这种关系有合金的平衡相图所规定。

因此，其凝固过程不仅取决于液体的冷却条件，同时也与液体的成分分布有关。

由液体的冷却条件和成分分布共同决定的液体过冷成为“成分过冷”，合金液体凝固过程中的界面形态及相应的生长方式与固液界面前沿液体中的“成分过冷”密切相关。

在固相无扩散，液相有限扩散条件下的定向凝固过程中，保持平界面凝固的成分过冷判据为：0(1)LL L m k C G R kD -≥- （2-1）根据过冷条件，凝固界面会出现不同的形态。

（1） 无“成分过冷”的平界面凝固当合金凝固条件符合2-1时，界面前方不存在成分过冷，凝固过程中固液界面将以平界面方式向前推进，晶体生长前沿宏观上维持平面形态。

在稳定生长区内获得成分均匀的单相固溶体柱状晶甚至单晶。

（2） 小“成分过冷”的胞状凝固 当单项合金的凝固条件符合L G R 略小于0(1)LL m k C kD --时，固液界面前方产生一个范围较窄的成分过冷区。

丁二腈枝晶生长的原位观察作者：侯宁张建斌来源：《山东工业技术》2015年第03期摘要：材料科学中的一个关键问题就是如何预测凝固过程中出现的微观组织，进而实现凝固过程控制，枝晶是凝固过程中普遍存在的一种微观组织，而温度和溶质分布决定着枝晶的生长形态，影响着枝晶的形貌。

本文选用与金属凝固行为相似的丁二腈凝固原位观察。

研究丁二腈在不同温度梯度下凝固过程中的枝晶生长状况，以及溶质乙醇加入丁二腈时对晶体形态的影响。

通过自制的实验观测系统，进行实时观察和拍摄，待表面凝固完全时对枝晶生长的形貌进行显微照相，后经过观察、测量和分析枝晶间距，发现温度梯度越小，二次枝晶就越易生成；加入溶质后，溶质质量分数越小，二次枝晶就越易生成；溶质质量分数越大，局部凝固的时间越久。

但是受外部因素的影响，实验结果可能会出现一定的偏差。

了解枝晶的影响因素，可以避免材料的成份偏析和结构缺陷，提高材料的性能，生产出人们所需要的特定形态的材料。

关键词：丁二腈；二次枝晶；观察；凝固1 前言在晶体生长研究和发展过程中，人们对平衡、近平衡条件下的晶体生长研究较多，对远离平衡态的晶体生长研究较少，而远离平衡态所形成的枝晶是很常见的。

最初，枝晶是泛指具有枝蔓状形态的晶体，远离平衡态条件下生长的晶体，其形态复杂多样，较典型的有：密枝形态、似“水草”的分形形态和枝晶（有明显的主干）。

随着对非平衡态下生长的晶体的形貌研究的深入，枝晶则普遍用指有明显主干的树枝状晶体。

丁二腈为白色晶体，微溶于水、酒精、乙醚、二硫化碳，溶于丙酮、三氯甲烷，其熔点为58.083士0.002T，沸点为265～267℃。

丁二腈为剧毒有机物，是一种极为活泼的有机物，能与空气中的氧气、氮气、水蒸气等发生反应。

丁二腈（SCN）是一种与金属具有相似界面性质的体心立方结构的透明有机物，由于它的热力学数据较全，与金属凝固行为相似，多年来被国际凝固理论界广泛地应用于凝固理论研究。

2 实验原料、方法及仪器2.1 实验原料及仪器丁二腈100g，乙醇500ml，玻璃器皿，电子恒温不锈钢水浴锅，摄像头，电脑，显微照相机，电子天平，吸针管，铁架台，镊子，水箱，水桶，吸水管，铁架，棉花，蓝色海绵板。