重庆大学 金属凝固原理 第6章 共晶合金的凝固
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金属凝固原理金属凝固是指金属从熔化状态向固态转变的过程。
金属凝固是金属加工和制造中的关键工艺之一,对于金属材料的性能和结构具有重要影响。
金属凝固有两种基本模式,分别是平衡凝固和非平衡凝固。
平衡凝固是在金属熔体达到热力学平衡条件下进行的凝固过程。
在平衡凝固过程中,金属熔体的凝固速度较慢,使得晶体有足够的时间进行有序排列,形成结晶的晶格结构。
这种凝固方式下得到的晶体结构一般是均匀、致密的。
而非平衡凝固则是在金属熔体未达到热力学平衡条件下进行的凝固过程,通常是由于快速冷却或其他条件的限制。
非平衡凝固下得到的金属结构通常不具备完整的晶格结构,其中可能包含一些缺陷,如晶界、孪生晶和扩散限制。
金属凝固的主要原理包括热力学原理和动力学原理。
热力学原理研究的是金属凝固的平衡过程和热力学参数,如凝固温度、凝固速度等。
相变热是研究金属凝固的重要参数之一,它是单位质量金属从液态到固态过程中释放或吸收的热量。
相变热的大小直接影响到金属凝固过程的温度和能量交换。
动力学原理研究的是金属凝固的凝固速率和晶体生长行为。
凝固速率与温度梯度成正比,与金属的热导率和定向凝固度有关。
晶体生长通常是以晶核为起点,通过界面扩散分子在凝固过程中不断形成新的晶核,最终形成完整的晶体结构。
在金属凝固中,晶体生长过程是一个重要环节。
晶体生长可以分为表面扩散和体内扩散两种方式。
表面扩散是指晶体表面上的原子或离子通过空间的跳跃来进行扩散,而体内扩散则是指晶体内部的原子或离子通过晶面间的空隙进行扩散。
晶体生长的速度与扩散速率和扩散路径有关,因此扩散是影响金属凝固过程的重要因素之一温度梯度和凝固界面形貌也是金属凝固的关键因素。
温度梯度会导致凝固界面的变形和变动,从而影响到晶体生长和凝固速率。
凝固界面的形貌也对凝固过程有重要影响。
对于非平衡凝固,凝固界面通常是不规则的,形成了一些晶界、孪生晶和其他缺陷。
这些缺陷会影响金属的性能和结构。
除了热力学和动力学原理外,还有其他一些因素也会影响金属凝固的过程。
金属凝固原理课程代码:1013011总学时:42先修课程:材料科学与工程概论,金属学及热处理。
开课对象:金属材料工程专业一、课程的性质、目的与任务:1、性质:本课程是金属材料专业理论课。
2、目的与任务:本课程要求掌握金属凝固时热力学规律和动力学规律;掌握单相合金和多相合金的凝固的理论和基本特点;重点掌握二元合金凝固过程中的溶质再分配现象以及多元合金的凝固;通过对晶体的生长方式与生长速率、晶体生长形态及其影响因素以及凝固过程中的液态金属流动规律的学习,掌握合金凝固组织的特点及凝固过程的控制;同时掌握不同凝固条件下对制品组织形成的影响。
通过该课程的学习能独立承担和开展金属凝固过程及其凝固组织控制方面的研究工作。
二、教学基本内容与基本要求:3、基本内容(1)绪论;(2)液态金属的结构与性质;(3)液态金属的流动;(4)液态金属的传热; (5)单相合金的凝固;(6)多相合金的凝固;(7)宏观凝固组织的形成与控制。
4、基本要求(1) 了解凝固过程的研究对象、凝固过程的研究方法、凝固过程理论研究的进展及相关的凝固技术。
(2) 了解金属在凝固过程中的传热特点及传热模型,金属在非金属型中凝固时的传热特点及温度场分布,熟悉金属在金属型中凝固时的传热特点及温度场分布,了解凝固时间的计算。
(3)掌握固体金属加热膨胀与熔化的实质,液态金属的结构特点、研究方法以及遗传性。
了解金属凝固过程中各种相变的热力学条件以及平衡或非平衡条件下的固-液界面的溶质成分等。
(4) 了解自发形核时形核功的计算和自发形核温度的确定。
熟悉非自发形核时形核功和形核率的计算,作为形核剂必须具备的条件。
(5 ) 了解非平衡条件下金属凝固的溶质再分配规律及凝固速度对溶质浓度的影响。
掌握成分过冷的形成及判别式,成分过冷度的计算。
(6)熟悉共晶组织的分类及非平衡状态下共晶共生区,层状共晶的形核与长大,棒状共晶的生长,形核与长大的方式,第三组元的影响。
(7) 了解液态金属中自然对流的驱动力,液态金属对流对凝固前沿的影响,熟悉枝晶间液态金属的流动速度及在该状态下溶质浓度分布。
华科材料成型原理第六章多相合金的凝固多相合金是指由两种或两种以上相(固相)组成的合金,在实际应用中有着广泛的应用。
对于多相合金的凝固过程,主要研究其凝固形态、凝固机制和凝固结构等方面的内容。
一、凝固形态多相合金的凝固形态主要有共晶凝固、共晶反应凝固和共晶偏析凝固等几种形态。
1.共晶凝固共晶凝固是指两个或两个以上成分在一定温度下同时凝固的过程。
共晶凝固的特点是合金中的各相以极其细小的颗粒形式平均分布在整个合金中,具有良好的强度和韧性。
共晶合金的凝固温度是固定的,可以通过共晶相图确定。
2.共晶反应凝固共晶反应凝固是在共晶相图所确定的共晶温度之下,通过固相反应形成共晶结构。
共晶反应凝固主要包括部分共晶凝固和逐晶凝固两种情况。
在部分共晶凝固中,合金中的一部分成分先凝固形成共晶的母相,在固相反应中会生成共晶的细小颗粒。
在逐晶凝固中,合金中的两个成分在固相反应的过程中逐渐形成共晶结构。
3.共晶偏析凝固共晶偏析凝固是指共晶合金在凝固过程中出现的偏析现象。
偏析是指共晶合金在凝固过程中,由于组分不均衡导致其成分在凝固前后产生变化。
共晶偏析凝固可能出现在合金的凝固前和凝固后两个阶段。
二、凝固机制多相合金的凝固机制主要包括凝固方式、凝固速率和相互作用等几个方面。
1.凝固方式凝固方式是指多相合金的凝固过程是通过目前的方式进行的。
在共晶凝固中,共晶合金通常采用同温凝固方式,即在共晶温度下同时凝固。
在共晶反应凝固中,凝固方式有复合凝固、端凝固和晶核凝固等几种。
2.凝固速率凝固速率是指多相合金凝固的速度大小。
凝固速率受多种因素的影响,如合金的成分、温度和压力等。
凝固速率的大小直接影响到合金的凝固过程和凝固结构。
3.相互作用在多相合金的凝固过程中,合金中各相之间存在相互作用。
相互作用的强度和方式直接影响到合金的凝固形态和凝固结构。
相互作用的形式可分为机械力学式的相互作用和热力学式的相互作用两种。
三、凝固结构多相合金的凝固结构主要由合金的成分和凝固条件等因素决定。