北航物理冶金原理3-合金相图与凝固(1).ppt
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北航物理冶金原理3-合金相图与凝固(1).ppt
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1、液态金属的结构:
金属熔化时物理性质的变化体积膨胀约35%、配位数约11、原子间距增加约11.5%:
原子间结合力仍很强!
熔化潜热约为蒸发热的37:
原子间结合力仍很强;液态金属的结构更接近固体,一、StructureofLiquidMetalsShort-RangeOrder近程有序StructureFluctuation结构起伏CompositionFluctuation成分起伏,2、PropertiesofLiquidMetalsFluidity流动性Viscosity粘度SurfaceTension表面张力DiffusionCoefficient扩散系数ElectricResistance电阻,StructureofAmorphousAlloysShort-RangeOrderNoGrainBoundariesNoDislocationsChemicalHomogeneity,Theatomsarearrangedinarandomfashion,similartotheirarrangementintheliquidstate,Exampleofacrystallineatomicstructure.Fourgrainsareillustrated,金属的凝固SolidificationofMetals形核与长大NucleationandGrowth,形核Nucleation,形核的热力学条件:
过冷“过冷”Undercooling“过冷度”DegreeofUndercooling,G=HTSDGv=GsGL=Hs-HL-T(Ss-SL)=DH-T.DSDSm=DH/TmDGv=(DHm/Tm).DT,SpontaneousNucleation自发形核(均匀形核),SpontaneousNucleation自发形核(均匀形核),SpontaneousNucleation自发形核(均匀形核),r,临界形核功:
CriticalEnergyofNucleation,形核率及其主要影响因素,过冷度的影响,N,r*,r,DT*,DT,Tm(DT=0),形核率及其主要影响因素,原子扩散能力的影响,N,DT,DT,Tm(DT=0),HeterogeneousNucleation,DG=-gML.S1+gMS.S1+gSL.S2S1=f1(q);S2=f2(q)rc=2ssL/DGvDG*=DGC.f1(q),EffectofWettingAngle,q=0:
CompleteWettingNonucleationisneededq=180:
NowettingSpontaneousNucleation,晶体生长CrystalGrowth,热力学条件:
过冷Undercooling生长机制:
液-固界面结构与Jackson因子,纯金属凝固典型冷却曲线TypicalCoolingCurveofaPureMetal,DTk,DT,Tm,Time,Temperature,AtomicallyRoughS/LInterface(原子尺度)粗糙液固界面,ContinuousGrowth-连续生长Non-facetedPhases(非小面相),连续生长ContinuousGrowth(Non-FacetedCrystal),所需界面动力学过冷度很小生长速度与过冷度呈线性关系晶体外形圆滑、无棱角,Non-facetedPhases,EffectofSolidificationCoolingRateonDAS,EffectofSDASonTensileStrength,AtomicallySmoothS/LInterface(原子尺度)光滑液固界面,LateralGrowth侧向生长FacetedPhase小面相,台阶侧向生长:
lateraloredgewisegrowth,表面二维形核侧向生长LateralGrowthbyStepsduetoSurfaceTwo-DimensionalNucleation,密排面低界面能,所需动力学过冷度很大生长速度与过冷度呈指数关系晶体生长表面棱角分明(FacetedCrystal),LateralGrowthbyStepsfromaScrewDislocation,所需动力学过冷度较大生长速度与过冷度呈对数关系晶体生长表面棱角分明(FacetedCrystal)能观察到螺旋状生长台阶,气相沉积生长SiC晶体表面螺旋生长台阶,晶体生长的台阶机制晶体中确实存在螺位错,GrowthStepsonaRapidlySolidifiedTiCCrystalSurface,FacetedPhasesTi5Si3,Non-FacetedandFacetedPhases,正温度梯度:
平界面稳定,SolidS/LInterfaceLiquid,定向凝固DirectionalSolidification,负温度梯度:
平界面失稳,SolidS/LInterfaceLiquid,晶体生长过程中平界面的稳定性PlanarS/LInterfaceStability,Fe-DendriteinCuMatrixinFe-20vol%CualloyFe-20vol%Cu合金中Fe树枝晶SEM照片,EffectofSolidificationCoolingRateonDAS,EffectofSDASonTensileStrength,自由生长树枝晶,S/L界面处负的温度梯度“平界面”失稳形成自由生长等轴树枝晶Free-GrownEquiaxedDendrite,自由生长树枝晶,S/L界面处负的温度梯度“平界面”失稳形成自由生长等轴树枝晶Free-GrownEquiaxedDendrite,PreferredOrientationofCrystalGrowth晶体生长过程中的择优取向性,e.g.立方系金属择优生长方向:
晶向,Fe-DendriteinCuMatrixinFe-20vol%CualloyFe-20vol%Cu合金中Fe树枝晶SEM照片,PreferredOrientationandCompetitiveGrowthofCrystalGrowth,CompetitiveGrowthInducedNaturalSelectionofColumnarGrains(Struggleforexistence,theFittestSurvives!
),择优取向与竞争生长,控制凝固过程细化晶粒的方法,加大冷却速度提高过冷度(降低浇铸温度、提高铸型冷却能力、减小零件壁厚、强制冷却、内外“冷铁”,等等)熔体纯净化(深过冷)提高过冷度加强液态金属的流动(浇铸方式、机械搅拌与振动、电磁及超声搅拌与振动等等)型壁晶体的游离枝晶臂断裂与游离孕育处理微合金化处理,SeparationofCrystalfromMouldWallduetoConvection,SeparationofCrystalfromMouldWallduetoConvection,SeparationofCrystalfromMouldWallduetoConvection,SeparationofCrystalfromMouldWallduetoConvection,BreakingofDendrite-ArmsduetoMeltConvection,典型金属铸锭组织及形成机理表面细小等轴晶区柱状晶区内部粗大等轴晶区中心缩孔、气孔、夹杂物、低熔点杂质、,金属的熔化与过热:
SurfaceNucleationNoSuperheatingNeeded,sSGsSL+sLG,二元合金相图与二元合金的凝固BinaryPhaseDiagramsandSolidificationofBinaryAlloys,相图及其建立方法,相图相图的建立方法相律,相图的建立方法,实验方法:
临界点的测定热力学计算:
冷却曲线CoolingCurve,A,B,热力学计算法:
化学位,GA,B,A,mA,mB,GB,mA=RTlnaAmB=RTlnaB,cA,相平衡条件,元素在平衡相中的化学位相等,热力学计算法,a,b,G,B,A,mA,mB,相平衡规律:
相律,体系自由度fnp+2fnp+1(常压条件),常见基本相图类型,1、匀晶相图(无限互溶单相固溶体)Isomorphous,SolidusLine,LiquidusLine,a+L,L,a,(f=2-1+1=2),(f=2-1+1=2),(f=2-2+1=1),2、共晶相图:
EutecticPhaseDiagramLE(a+b)三相平衡f=2-3+1=0,单相二元合金的凝固SolidificationofSingle-PhaseBinaryAlloys,一、相图分析:
液相线Liquidus;固相线Solidus;液相区;固相区;两相区.自由度,二、单相合金的平衡凝固:
EquilibriumSolidification1.合金凝固过程中溶质再分配现象:
SoluteRedistributionduringSolidification溶质再分配系数:
k=Cs/CLSoluteRedistribution(Partition)Coefficient,CskCL,Wa,WL,Co,CL,Ca,Ts,TL,二、单相合金的平衡凝固:
EquilibriumSolidification2.两相平衡的基本规则:
杠杆规则LeverRule平衡相之成分点:
连接线tie-lineorConode平衡相之相对重量百分数:
杠杆定律LeverRule,WS(CoCs)=WL(CLCo),WSWL,CsCoCL,平衡凝固过程及冷却曲线,3、合金平衡凝固过程分析,TS,TL,Co,kCo,平衡凝固过程,三、单相合金的非平衡凝固及凝固偏析规律:
基本假设:
1)、液固界面处两相局域平衡:
LocalequilibriumatS/LinterfaceCs/CL=k2)、液相线及固相线均为直线:
k=constant3)、液-固界面保持平面:
PlanarS/Linterface,固相无扩散、液相完全混合NoDiffusioninSolidandCompleteMixinginLiquid,dfS(CL-CS)=(1-fS)dCLBoundaryCondition:
WhenfS=0,CS=kOCOCS=kCO(1-fS)ko-1CL=CO(1-fS)ko-1,fs,1,液相完全混合条件下定向生长晶体中溶质分布规律,ScheilEquation:
非平衡凝固杠杆规则CS=kCO(1-fS)ko-1CL=CO(1-fS)ko-1,固相无扩散、液相完全混合NoDiffusioninSolidandCompleteMixinginLiquid,kCOCOCL=CO/kCE,TLT1TS,DendriticSegregationandInterdendriticSegregation,Segregation-InducedInterdendriticEutectics,PrimaryDendrite,NonequilibriumEutecticinCo3Mo2SiMetalSilicideAlloy,Co3Mo2Si,Co,Co3Mo2Si,NonequilibriumEutecticinCo3Mo2SiMetalSilicideAlloy,Co3Mo2Si,SolidificationSegregation凝固偏析的分类:
晶内偏析(枝晶偏析)晶界偏析宏观偏析微观偏析减轻或消除凝固偏析的方法:
平衡凝固:
无偏析细化晶粒快速凝固均匀化退火消除,凝固偏析的危害化学成分不均匀:
性能不均匀、降低性能合金元素作用得不到发挥:
形成有害相、降低合金使用性能降低合金初熔温度和使用温度降低合金工艺性能或无法进行二次加工处理,凝固偏析的应用危害金属的提纯:
低熔点液相补缩形成晶界强化相形成自润滑相、耐磨相等,ZoneMelting/RefiningofMetals金属的区域熔化提纯:
非平衡凝固偏析现象的应用,ScheilEquation:
CS=kCO(1-fS)ko-1,固相无扩散、液相无对流NoDiffusioninSolid,DiffusionalMixinginLiquid,熔体中无对流条件下定向凝固晶体中溶质偏析规律SoluteDistributionforanUnidirectionallySolidifiedCrystalwithoutConvectioninMelt,组成过冷-ConstitutionalSupercooling,FormationofaSolute-EnrichedBoundaryLayerinfrontoftheS/LinterfaceRealLiquidusTemperatureRealUndercoolingDistrbutionintheSolute-EnrichedLayer,ConstitutionalSupercoolingandSolidificationInterfaceMorphology组成过冷及凝固界面形态,组成过冷的产生质量守恒:
R(CL-Co)=-D(dCL/dx)边界条件:
X=0,CL=Co/kX=infinite,CL=Co溶质边界层中溶质浓度分布CL=Co1-(1-k)/kexp(-Rx/D),To-TL=m(CL-Co)TL=To-m(CL-Co)或Tm-TL=mCLTL=Tm-mCL溶质边界层中熔体的实际液相线温度TL=Tm-mCo1-(1-k)/kexp(-Rx/D),CL,Ts,T0,C0,C0k,TL,CL,Tm-TL=mCLTL=Tm-mCLTm-mCo1-(1-k)/kexp(-Rx/D),C0,C0k,TL,CL,Tm-TL=mCLTL=Tm-mCLTm-mCo1-(1-k)/kexp(-Rx/D),组成过冷DT=TLGLX=Tm-mCo1-(1-k)/kexp(-Rx/D)GLXDTmax=XC=,TL,GL,XC,DTmax,Planar-FrontSolidification,Noconstitutionalsupercooling,CellularFrontSolidificationMushyZone,MushyZone,CellularStructureofDSNi-BaseSingle-CrystalSuperalloy,PulsedLaserMelted/RapidlySolidifiedCellularStructureofNi-BaseSuperalloy脉冲激光重熔快速凝固镍基高温合金胞状晶,DendriticFrontSolidificationwithLargeConstitutionalSupercooling,MushyZone,To,TLTs,CriticalEffectofTemperatureGradientonMushyZone,DAS,Segregation,InterdendriticPoresandEutectics,LowerGLongerDmushyzoneLargerDASSevererSegregationLowerGLargerDmushyzoneLargerDASLargerandmoreInterdendriticPoresLowerGLargerDmushyzoneStrongerInterdendriticFluidFlotationMoreDendriteArmBreakingMorePronetoFreckels,liquidus,solidus,CriticalEffectofTemperatureGradientonMushyZone,DAS,Segregation,InterdendriticPoresandEutectics,LowerGLongerDmushyzoneLargerDASSevererSegregationLowerGLargerDmushyzoneLargerDASLargerandmoreInterdendriticPoresLowerGLargerDmushyzoneStrongerInterdendriticFluidFlotationMoreDendriteArmBreakingMorePronetoFreckels,001,100,010,FormationofPoresorShrinkageCavityintheInterdendriciticZone,EffectofSolidificationCoolingRateonDAS,EffectofSDASonTensileStrength,BinaryEutecticPhaseDiagramsandSolidificationofBinaryEutecticAlloys二元共晶合金相图及二元共晶合金的凝固,f=0,LE=(aA+bB)共晶反应或共晶凝固EutecticReactionorEutecticSolidification共晶组织EutecticsorEutecticStructure,L,E,L+a,L+b,a+b,b,a,B,A,TE,TE,EutecticGrowth:
CoupledGrowth,EutecticGrowth:
CoupledGrowth,Cr/Cr3Si共晶团-EutecticColonies,共晶转变L(Cr3Si+Cr),相图分析:
液相线、固相线、共晶线、固溶度曲线共晶线:
f=0,LE=(aA+bB)固溶度曲线:
溶质在固溶体中固溶度随温度的变化曲线,L,E,L+a,L+b,a+b,b,a,B,A,TE,共晶凝固的特点,三相平衡f=0,在恒温条件下进行合金系中熔点最低:
合金熔炼与铸造容易结晶温度间隔为零、糊状区很小或无糊状区:
难产生凝固偏析、难产生凝固缩孔与疏松定向凝固可获得自生复合材料(UnidirectionallySolidifiedin-situComposites)铸造性能优异:
流动性及补缩性能很好:
可浇注很薄的铸件、不易产生缩孔等缺陷铸件不易产生凝固开裂现象(热裂HotTearing、冷裂ColdCracking),共晶凝固过程动力学,一、协同形核CooperativeNucleation一相自液相中领先析出界面前沿溶质富集促进另一相协同析出通过搭桥(Bridging)、分枝(BranchingorBifurcating)等协同方式侧向扩展(EdgewiseAdvancement);,二、协同生长CooperativeorCoupledGrowth相互促进,EutecticLiquid,b,a,a,a,b,b,b,CoupledorCooperativeGrowthofaEutecticbyEdgewiseSoluteDiffusionattheSolidificationInterface,CooperativeorCoupledGrowth,共晶组织分类:
ClassificationofEutectics,一、按共晶组织形态分类:
MorphologicalClassification层片状共晶LamellarEutectic杆状共晶Rod-likeEutectic点状共晶Dod-likeEutectic不规则共晶IrregularEutectic离异共晶DivorcedEutectic,共晶组织分类:
ClassificationofEutectics,二、按共晶组成相的性质:
Non-Faceted/Non-Faceted共晶Non-Faceted/Faceted共晶Faceted/Faceted共晶,DSLamellarCr3Si/CrEutectic定向凝固Cr3Si/Cr层片状共晶,LamellarSpacing片层间距l2R=k,LamellarFe3C/FeEutecticFe3C/Fe层片状共晶(莱氏体),Mo2Ni3Si/g共晶团Mo2Ni3Si/gEutecticColonies,Cr/Cr3Si共晶团-EutecticColonies,共晶转变L(Cr3Si+Cr),DSRod-likeg/g-MoEutectic定向凝固杆状g/g-Mo共晶,Mo-g/g“in-situ”EutecticComposite,DSRod-likeg/g-MoEutectic定向凝固杆状g/g-Mo共晶,DSRod-LikeCr3Si/CrEutectic,Dot-LikeEutectic,LaserMeltedRapidlySolidifiedIrregularFe3C/FeEutectic不规则共晶,LaserMeltedRapidlySolidifiedIrregularFe3C/FeEutectic不规则共晶,IrregularMo2Ni3Si/NiEutecticMo2Ni3Si/Ni不规则共晶,IrregularMo2Ni3Si/NiEutecticMo2Ni3Si/Ni不规则共晶,完全无共晶组织特征的共晶组织球墨铸铁组织:
DuctileCastIron,SynthesisofNovelIron-BaseMaterialContainingUltra-finenodularGraphiteParticlesbyPulsedNd:
YAGLaserAnnealingofLaserMelted/RapidlySolidifiedCastIron,非共晶成分合金(亚共晶、过共晶)的凝固SolidificationofOff-Eutectic(HypoeutecticorHyper-eutectic)Alloys,两相平衡:
杠杆规则!
计算共晶转变开始时、共晶转变完成时及室温组织中相组成及组织组组成的相对重量百分数!
Liquid,a+b,b,a,a+L,ABR,a,a/beutectic,Time,Temperature,晶体生长过程中平界面的稳定性PlanarS/LInterfaceStability,杆杆规则:
两相平衡gE%=oC/ECLE%=Ledeburite%=oE/EC,Cr3Si,Cr3Si/Cr,BlockyPrimaryTi5Si3+Ti5Si3/TiEutectic,AlSi合金相图,Al-Si合金共晶组织的变质处理ModificationAl-SiEutecticStructure,GrainRefiningofPrimarySiliconinAl-SiCastAlloysb
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- 关 键 词:
- 北航 物理 冶金 原理 合金 相图 凝固