【文章內(nèi)容簡介】 Ke稱為有效分配系數(shù)，影響因素有 R：凝固速度 δ：邊界層厚度 D：擴散系數(shù) ? ? ?? DRLeeKKKxCxCsK???????0001)()0(穩(wěn)態(tài)凝固過程中，只有界面附近（擴散區(qū)）液體成分不均勻，其他部位液相成分是均勻的 可以利用類似液相完全混合公式計算溶質(zhì)分布 101011KeLKeSeXCCLXC K CL?????? ???????? ????有效分配系數(shù) 當凝固速度非常緩慢時 , Rδ/D? 0 ,Ke ? K0, 即為液體中溶質(zhì)完全混合的情況 。 當凝固速度非常大時， e Rδ/D ? 0 ， Ke=1，為液體中溶質(zhì)僅通過擴散而混合的情況。 一般凝固速度介于上面二者之間， K0＜ Ke＜ 1，液體中溶質(zhì)部分混合的情況 液相混合程度與濃度分布 除了過渡狀態(tài)以外， 液相混合越均勻，固相的成分越不均勻。 固相混合程度對偏析的影響呢？ 區(qū)域熔煉 根據(jù)溶質(zhì)分布規(guī)律，如果 S相停止擴散，凝固后可在鑄錠的一端獲得提純效果； 利用這一原理，發(fā)展了區(qū)域熔煉技術(shù)， 經(jīng)過多次區(qū)域熔煉，可獲得良好的提純效果。 例如 K0=，經(jīng)過 5次區(qū)域熔煉，前端的雜質(zhì)含量可降低到原來的 1/1000。 已經(jīng)用于金屬、單晶硅、有機物等。 成分過冷 純金屬凝固時，理論結(jié)晶溫度固定，過冷度由溫度分布決定； 熱過冷 合金凝固時，理論結(jié)晶溫度與成分有關(guān)； 由 S/L界面附近溫度分布和溶質(zhì)分布共同決定的過冷度稱為 成分過冷 。 （ 1）成分過冷條件 設(shè)一個 K01的合金 Co在圓棒形錠模中自左向右順序凝固， 界面前沿溶質(zhì)僅依靠擴散而混合，近似溶質(zhì)分布 假定液相線為直線，斜率為 m，則液相線隨濃度變化的溫度 ?????? ??? ? xDRL eKKCC00011LAL mCTT ???????? ???? ? xDRAL eKKmCTT00011由于動態(tài)過冷度很小 ,所以在穩(wěn)定狀態(tài)時界面溫度 0000//)0(KmCTTKmCTxTTiAALi??????xDRKKmCTTeKKmCTTeKKmCKmCTTeKKmCTTiLxDRiLxDRiLxDRAL0000000000000011111/11??????????????????? ??????????? ???????實際溫度分布T=Ti+Gx 過冷度分布 GxxDRKKmCTTTT L???????0001臨界條件 當滿足下式，出現(xiàn)成分過冷區(qū) 001KKDm CoRG ???RGKKDmCGDRKKmC????00000011 （ 2） 影響成分過冷的因素 合金性質(zhì) 液相線斜率 m ? 擴散系數(shù) D ? 分配系數(shù) K0 ，與 1差別 ? 合金濃度 C0 ?，當 C0% 凝固條件 溫度梯度 G ? 結(jié)晶速度 R? 促進成分過冷 （ 3）成分過冷與晶體形態(tài) 合金凝固時一般會出現(xiàn)成分過冷。 晶體的生長形態(tài)與成分過冷區(qū)寬度、固液界面的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān) 隨著成分過冷區(qū)寬度增大，固溶體晶體由平面狀向胞狀、樹枝狀形態(tài)發(fā)展。 平面長大 胞狀長大示意圖 胞狀長大 樹枝狀長大 共晶轉(zhuǎn)變 :從一個液相結(jié)晶出兩個成分不同的固相。 共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為共晶體、共晶組織。 許多合金系都含有共晶轉(zhuǎn)變。 共晶合金熔點低、鑄造性能好，如鑄鐵、鋁合金、 26Pb－ 74Sn焊劑等。 ?? ??L 共晶相圖 相 L,?,? 點 A,B,E 線： 液相線； 固相線； 共晶線； 溶解度線 液相線 AE,BE。 固相線 AMENB。 共晶線（等溫線） MEN。 溶解度線： MF:Sn在 ?(Pb)中的溶解度； NG:Pb在 ?( Sn)中的溶解度。 相區(qū) :單相區(qū) 3,雙相區(qū) 3,三相區(qū) 1. 其他形式的共晶相圖 如果兩組元的溶解度可以忽略；共晶相圖具有右圖的形式。 兩固相單相區(qū)成為一條直線。 合金的平衡凝固 以 PbSn合金為例。 選擇的典型成分如圖所示。 （ 1） 19Sn%(如 10％）合金 室溫組織 II?? ?3以下， ?脫溶轉(zhuǎn)變 ???II 組織組成物相對量 室溫組織組成物相對量 相組成物？ %%10 0210 0210%%%10 0210 01010 0??????????IIW??（ 2）共晶合金（ %Sn) 在 183176。 C以上， L穩(wěn)定；在 183176。 C以下， ?和 ?穩(wěn)定； 在 183176。 C,同時結(jié)晶出 ?和 ?,即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 NMCEL ?? ??? ??01 83共晶溫度，發(fā)生等溫轉(zhuǎn)變，形成共晶體； 183176。 C， ? 、 ?溶解度變化，發(fā)生 脫溶轉(zhuǎn)變 ???II, ? ? ? II,不重新形核。 室溫組織 ()???共晶轉(zhuǎn)變完成時，兩相的相對量 室溫時，兩相的相對量 %% %100 ??????? MNENW ?%% %100 ??????? MNMEW ?%%1002100 %100 ??????? GFEFW ?%%1002100 %100 ??????? FGEFW ?（ 3）亞共晶合金 19～ ％ Sn 12勻晶轉(zhuǎn)變 L?? 2 共晶轉(zhuǎn)變 L??＋ ? 2以下 脫溶轉(zhuǎn)變 ???II, ? ? ? II 室溫組織 II???? ??? )(α α + β β II 組織組成物相對量 在 183＋，合金處于 L+?兩相平衡 此后，剩余液體轉(zhuǎn)化為室溫組織中的共晶組織，（ ?＋ ?）％＝（ 183＋） L％＝49％。 183，共晶體中的脫溶產(chǎn)物不改變組織的相對量； %49%%。51% % ?????? L?勻晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的初生相 ?在冷卻過程中將會有一部分轉(zhuǎn)化為二次相 4 2 . 1 5 %51%0 . 8 2 6 6)183%(210019100%:%%)183%(2100219%?????????????????????室溫剩余初生相II（ 4）過共晶合金 ~%Sn α II β (α+β) 共晶組織及其形成機理 初晶形態(tài) 取決于 S/L界面的性質(zhì)與成分過冷情況 固溶體多為樹枝狀； 若初晶為亞金屬、非金屬或中間相，往往得到規(guī)則的外形。 共晶組織形態(tài) 典型形態(tài)包括層片狀、棒狀、球狀、針狀、螺旋狀、花朵狀、樹枝（骨骼）狀等 球狀（短棒狀）共晶組織 針狀共晶組織 螺旋狀共晶組織 樹枝狀共晶組織 花朵狀共晶組織 共晶組織形態(tài)與以下因素有關(guān) 組成相與液相界面的性質(zhì)， Jackson因子； 組成相的相對量，界面能； 界面移動速度 R； 界面附近液體溫度梯度； 生長的各向異性，等。 （ 1）金屬 金屬型共晶組織 兩相與液體都具有粗糙界面 。如 PbCd, ZnSn，AgCu， AlAg2Al， CdSnCd 一般具有簡單的共晶形態(tài) ,層片狀或棒狀 。 主要由界面能決定 層片狀，兩相單位面積界面能較低； 當一相體積分數(shù)為 30~50%，層狀具有較小的面積，一般層片狀； 當一相體積分數(shù) 30%，棒狀具有較小的面積，層片或棒狀 共晶組織的形成機理 滿足能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏、濃度起伏等條件，領(lǐng)先相（如 ?）形核長大； 由于領(lǐng)先相成分與液相不同，領(lǐng)先相生長時附近濃度變化（如 B富集），第二相（如 ?）在領(lǐng)先相上形核； ?相長大又造成周圍濃度變化促進 ?形核、生長； 兩相交替形核長大，得到共晶組織。 搭橋機制 兩相不需要反復(fù)形核，可以借“搭橋”方式在另一相上生長，長成一個共晶團； X射線證實，一個共晶團內(nèi)一相是由一個核心長成的，兩相之間滿足一定取向關(guān)系（界面能 ?） 共晶團長大 橫向：層片數(shù)目增大；縱向：兩相并排生長 層片間距較小，橫向擴散為主； ?T? ， R ? ，層片間距 ? 擴散距離短，不易產(chǎn)生溶質(zhì)濃度變化，不會產(chǎn)生顯著的成分過冷區(qū)； 多元，可能！ （ 2）金屬 非金屬共晶組織 由于兩相界面微觀結(jié)構(gòu)不同，動態(tài)過冷度要求不同，不能同步生長； 領(lǐng)先相自由生長； 非金屬相在領(lǐng)先相間隙中生長。 非金屬相大多晶體對稱性低，生長的各向異性明顯； 大多具有復(fù)雜形態(tài)，如樹枝狀、針片狀、骨骼狀等 第三組元的影響 第三組元改變界面能、成分過冷區(qū)寬度等，經(jīng)常會改變共晶組織形態(tài)。 如鑄鐵，加入 Re,Mg石墨從片狀變球狀； AlSi合金加入鈉鹽，硅針細化等。 非平衡凝固 （ 1）偽共晶 平衡凝固時，只有共晶成分的合金才可能得到 100%的共晶組織。 在過冷度較大時，由非共晶成分得到的全部共晶組織稱為偽共晶。 通常將形成全部共晶組織的成分和溫度范圍稱為“偽共晶區(qū)”或“配對區(qū)”或“共生區(qū)”。 兩類偽共晶區(qū) 組元熔點接近，共晶點 ~50%，對稱的偽共晶區(qū)； 共晶點偏向一側(cè)，偽共晶區(qū)偏向中間。 偽共晶 實例 未變質(zhì) 變質(zhì)處理 ZL102鑄態(tài)組織 （ 2）不平衡共晶組織 在非平衡凝固時，固溶體出現(xiàn)枝晶偏析，結(jié)晶范圍擴大； 當冷至共晶溫度，剩余的少量液體成分為共晶成分。 共晶轉(zhuǎn)變形成不平衡共晶組織，分布在晶界等最后凝固處。 （ 3）離異共晶