15相图-8二元凝固理论 - 副本.ppt

第6章 二元系相图及其合金的凝固 第4节 二元合金凝固理论 * 第4节 二元合金凝固理论 * 二元合金凝固与纯金属凝固有何不同？ 讲述重点 二元合金在匀晶转变中的凝固理论 二元共晶转变中的凝固理论 简述合金铸锭(件)的组织与缺陷 4.1 固溶体的凝固理论 * 第4节 二元合金凝固理论 第6章 二元系相图及其合金的凝固 4.1 固溶体的凝固理论 * 第4节 二元合金凝固理论 1、正常凝固 平衡分配系数k0 平衡凝固时固相的质量分数ws，和液相质量分数wl之比，即 4.1 固溶体的凝固理论 * 第4节 二元合金凝固理论 1、正常凝固 长度为L的单相固溶体合金的熔液置于圆棒形锭子内由左向有进行定向平衡凝固 4.1 固溶体的凝固理论 * 在非平衡凝固状态下单相固溶体合金的凝固 1、正常凝固 4.1 固溶体的凝固理论 * 在非平衡凝固状态下单相固溶体合金的凝固 液相成分任何时间都是均匀的； 边界条件 液—固界面是平直的； 液—固界面处维持着这种局部的平衡，即在界面处满足k0为常数； 忽略固相内的扩散； ⑤ 固相和液相密度相同 1、正常凝固 4.1 固溶体的凝固理论 * 其凝固前后的溶质质量变化 式中，ρL为液相的溶质质量浓度 式中，ρS为固相的溶质质量浓度 * ρL=液体中溶质质量/液体体积 ρs=固体中溶质质量/固体体积 在非平衡凝固状态下单相固溶体合金的凝固 1、正常凝固 4.1 固溶体的凝固理论 在非平衡凝固状态下单相固溶体合金的凝固 其凝固前后的溶质质量变化 由质量守恒可得： 1、正常凝固 4.1 固溶体的凝固理论 * 在非平衡凝固状态下单相固溶体合金的凝固 或 上式称为正常凝固方程，它表示了固相质量浓度随凝固距离的变化规律。 1、正常凝固 4.1 固溶体的凝固理论 * 正常凝固 固溶体经正常凝固后整个锭子的质量浓度分布如图所示(k0＜1)，这符合一般铸锭中浓度的分布，因此称为正常凝固。 正偏析 这种溶质浓度由锭表面向中心逐渐增加的不均匀分市称为正偏析，它是宏观偏析的一种，这种偏析通过扩散退火也难以消除。 1、正常凝固 4.1 固溶体的凝固理论 * 液相成分任何时间都是均匀的； 边界条件 液—固界面是平直的； 液—固界面处维持着这种局部的平衡，即在界面处满足k0为常数； 忽略固相内的扩散； ⑤ 固相和液相密度相同 2、区域熔炼 何谓区域熔炼 4.1 固溶体的凝固理论 * 2、区域熔炼 凝固体积的质量浓度 4.1 固溶体的凝固理论 * 凝固体积所含的溶质质量为 2、区域熔炼 4.1 固溶体的凝固理论 * 上式为区域熔炼方程，表示了经一次区域熔炼后随凝固距离变化的固溶体质量浓度。 2、区域熔炼 4.1 固溶体的凝固理论 * 多次区域熔炼 区域提纯 2、区域熔炼 4.1 固溶体的凝固理论 * 目前很多纯材料由区域提纯来获得，如将锗经区域提纯，可得到一千万个锗原子中只含小于1个杂质原子，作为半导体整流器的元件。由此可见，区域提纯是应用固溶体凝固理论的一个突出成就。 区域提纯 2、区域熔炼 4.1 固溶体的凝固理论 * 区域提纯实现方法 2、区域熔炼 4.1 固溶体的凝固理论 * 3、表征液体混合程度的有效分配系数ke 在推导正常凝固方程和区域提纯方程时，都采用了液体浓度是均匀的这一假设。 然而实际中这个假设是个非常严峻的约束。 4.1 固溶体的凝固理论 * 3、表征液体混合程度的有效分配系数ke 合金凝固时，液态合金因具有低粘度和高密度而存在自然对流，其倾向使液体浓度均匀化；然而正是液体流动时的一个基本特性却部分地妨碍对流的作用。 当液体以低速流过一根水管时，液体中的每一点都平行于管壁流动，这称为层流。 4.1 固溶体的凝固理论 * 合金的正常凝固 3、表征液体混合程度的有效分配系数ke 4.1 固溶体的凝固理论 * 在界面处的边界层中，由于层流平行于界面，故在界面的法线方向上不可能出现对流传输，溶质只能通过缓慢的扩散方式穿过边界层后才能传输到对流液体中去。 其结果在边界层区域中获得了溶质的聚集。 为了表征液体中的混合程度，需定义有效分配系数ke 3、表征液体混合程度的有效分配系数ke 4.1 固溶体的凝固理论 * 由液体流动造成的单位时间单位体积内溶质通量为 3、表征液体混合程度的有效分配系数ke 4.1 固溶体的凝固理论 * 在初始过渡区建立后，有效分配系数为常数。由于ke十分重要，现推导它和可测定参数之间 的关系。 对上式的z偏导数，并由推导菲克第二定律时的前续方程： 可得： 3、表征液体混合程度的有效分配系数ke 4.1 固溶体的凝固理论 * 初始过渡区建立后，边界层中的溶质量将相对地保持不变