金属与合金的凝固

第4章 液态金属(合金)凝固热力学和动力学

凝固热力学和动力学的主要任务是研究液态金属（合金）由液态变成固态的热力学和动力学条件。凝固是体系自由能降低的自发进程，若是仅是如此，问题就简单多了。凝固进程中各类相的平衡产生了高能态的界面。如此，凝固进程中体系自由能一方面降低，另一方面又增加，而且阻碍凝固进程的进行。因此液态金属凝固时，必需克服热力学能障和动力学能障凝固进程才能顺利完成。

凝固的热力学基础

金属凝固进程能够用热力学原理来描述。热力学能够用于判断一个凝固进程是不是可能发生，和发生的程度如何。而对于凝固进程的判断，一样也是利用热力学状态函数来进行的。本节主要涉及状态函数的概念、状态函数之间的关系、及自发进程的判据。为下面学习凝固的形核与生长，创造必要的基础。

状态函数的概念

几个重要的热力学术语：

体系：具有指明界限与范围的研究对象。

环境：与体系有联系的外界。

状态：体系的物理、化学性质均匀、固按时的总和。

状态函数：与进程无关。

进程：体系发生转变从一个状态到另一个状态的经历。

自发进程：从不平衡自发地移向平衡状态的进程，不可逆进程。

图 容器内气体压力做体积功的是以

描述金属凝固进程，能够采用热力学函数。但某些热力学函数，在描述进程转变的状态时，与进程所经历的“历程”有关。比如功，在纯做体积功时，某容器内的气体由状态1，即该状态下的压力及体积别离为1p，1V通过不同的路径，变到状态2，即压力为2p，体积为2V的状态。当路径改变时（图）,虽然，始态与终态系相同，压力所做的体积功

pdVW

或 21)(VVdVVpW

必然不同。

还有一类热力学函数，与进程经历的“历程”无关，只与研究体系所处的状态有关。咱们把这种热力学函数，称为状态函数。讨论凝固进程常常利用的几个状态函数有：

内能 物质体系内部所有质点的动能和势能之和，用U来表示，wqdU。

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2010年11月 材料学院研究生会学术部

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金属凝固原理复习资料

目录

2010年复习资料„„„„„„„„„„„„„3-5

2007年复习资料„„„„„„„„„„„„„6-8

2005年复习资料„„„„„„„„„„„„„9-10

2004年复习资料„„„„„„„„„„„„„11-14 材料学院研究生会学术部

3 2010年金属凝固原理复习重点

一、（15分）

如图所示，Pb-Bi(WBi=20%)合金，在无固相扩散的条件下，试计算凝固后的共晶量。

解：第一阶段，非平衡凝固冷却至184℃，无固相扩散α=0，根据公式4-8：

Cs*=k0C0(1-fs)（k0-1）

其中k0=23/36=0.639，Cs*=23%，C0=20%带入得

fs=0.8

剩余液相1-fs=0.2

第二阶段，发生包晶反应，先算k0’，延长线段L1、L2交于一点A，求A（X,Y）

36-X184-Y=3656184125 ①

33-X184-Y=33-4284-125 ②

联立两方程解得：X=30.545，Y=200.090

故k0’=45.53056545.3042=0.45，

将k0’ =0.45，Cs*=42%-30.545%=11.455%，C0=36%-30.545%=5.455%,带入公式4-8可求得

fs’=0.9392

剩余液相 1- fs’=0.0608

凝固后的共晶量为 0.0608×0.2=0.01216≈0.01

二、试述金属凝固方式，影响因素及其对铸件质量的影响。

答：金属凝固方式分为三种：当时，凝固趋向于逐层凝固，当1tt时，凝固趋向于体积凝固，二者之间，趋向于中间凝固。t为结晶温度间隔，t为结晶开始温度与铸件表面温度差。影响因素：结晶温度范围越小，温度梯度越大，凝固区域越窄，越趋向与逐层凝固。反之，结晶温度范围越大，温度梯度越小，凝固区域越宽，越趋向与体积凝固。对铸件质量的影响：（1）逐层凝固具有良好的充填和补缩条件，产生分散性缩孔的倾向性很小，而是在最后凝固部位形成集中缩孔。如果合理设置冒口，可使缩孔移入冒口，而且在凝固过程中收缩产生的晶间裂纹容易得到金属液补充，使裂纹愈合，故热裂倾向小。（2）体积凝固方式，补缩条件差，形成分散性缩孔，等轴晶粗大，热裂倾向大。（3）中间凝固方式的补缩特性，热裂倾向，充型性能均介于前两者之间。

- 1 - 平衡凝固名词解释

平衡凝固是指结晶过程中在有限的冷却时间内保持分子量不变的过程。

平衡凝固方法又称降温凝固方法，由于这种方法获得的产品组织致密、机械强度高，常被用作金属材料和合金材料的凝固方法，如低碳钢、铁素体不锈钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢等的成形和退火。 2。特点(1)没有相变发生，且维持组织的稳定性。

(2)加热时形核率低。(3)产品具有良好的强度和韧性。(4)加工性能好，易于控制。 3。影响因素(1)加热时间和冷却速度。 (2)冷却介质。(3)组织和晶粒度的均匀性。(4)变形条件。 4。注意事项(1)合理选择冷却方式和时间; (2)根据产品要求和组织状态合理确定冷却条件;(3)必须严格按照规范操作，保证工件的加热质量和冷却质量。

5。分类(1)等温凝固：升温、保温→缓慢冷却。此种方法适用于不析出硬化的材料，如镍基高温合金等。(2)降温凝固：升温、快速冷却→缓慢冷却。(3)快速凝固：急剧冷却→缓慢冷却。

最常用的是热等静压技术。高级的方法有：激光法、电子束法等。其中热等静压法应用最广，是提高零件成形质量最有效的方法之一。热等静压可以使金属坯料在一定的压力下产生无相变、无偏析的非平衡凝固。因为热等静压时金属的凝固始终处于亚稳态，所以各相间能充分扩散，达到全面均匀地形核和生长晶粒，使最终的组织致密，从而改善金属材料的性能。

1。适用对象(1)对于形状复杂，大型薄壁容器或空心焊管，不宜 - 2 - 采用喷射成形工艺的零件。(2)适用于奥氏体不锈钢。 2。原理利用外界施加的压力来增加金属熔液的静压力，提高溶质在金属中的扩散速度，在很短的时间内将金属凝固，并进行多个相分离，制得无缩孔的组织。 3。设备(1)真空压力表式等静压机。(2)喷射器。(3)低压冷室和恒温器。 4。优点(1)通过精确控制坯料的成形和固溶体的冷却条件，可获得良好的力学性能。(2)坯料中易析出非平衡相(如氮化物)的数量极少。(3)减少了近终成形区金属的二次再结晶和热应力。(4)有助于获得良好的组织和晶粒度。 5。缺点(1)制品厚度受到限制。(2)设备投资较大。 6。试验研究利用热等静压法进行了一系列零件的成形和凝固。

金属及合金凝固组织的观察和分析

张文

北京科技大学材料学院

铸锭组织分为三个区，最外层是细晶区，金属液体浇入铸模后，与温度较低模壁接触的液体会产生强

烈的过冷，产生大量的晶核，并向液相内生长。如果浇铸温度较低，铸锭尺寸不很大，整个液体会很快全

部冷却到熔点一下，因此各处都能形核，造成全部等轴细晶粒的组织。但在一般情况下，只有那些仍然靠

近模壁的晶粒长成而形成细晶区。柱状晶区，金属浇铸后，模壁被金属加热温度不断升高，由于结晶时潜

热的释放吗，使模壁处的温度梯度降低。细晶区前沿不易形核，随着液相温度逐渐降低，已生成的晶体向

液体内生长。等轴晶区，在凝固过程中，开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶熔断而产生大量游离自由细

晶体，它们随溶液对流漂移移到铸锭中心部分。如果中心部分溶液有过冷，则这些游离细晶体作为籽晶最

终长成中心的等轴晶区。匀晶凝固过程是晶体材料从高温液相冷却下来的凝固转变产物包括多相混合物晶

体和单相固溶体两种，其中由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。共晶凝固过程是从液相同时结

晶处两个固相。一般把成分在共晶成分左边并有共晶反应的合金称亚共晶合金，而在右边的称过共晶合金，

合金成分偏离共晶成分但冷却时仍发生共晶反应的合金，在冷却过程中先结晶出固溶体晶体，然后在生成

共晶。包晶凝固过程是有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相发生反应

生成另一种固相的恒温转变过程。

1 实验材料及方法

1.1实验材料

光学显微镜

表格 1 铝锭成分表

Table 1 Aluminum composition

铝锭 浇铸条件

样品号 模壁材料 模壁厚度/mm 模子温度/℃ 浇铸温度/℃

1 砂 10 室温 680

2 钢 10 500 680

3 钢 10 室温 780

4 钢 10 室温 680 5 钢 3 室温 680

表格 2 合金成分表

Table 2 Alloy composition

样品 成分 样品 成分