1、熔化熔化煉鋼煉鋼 澆注澆注 煉銅煉銅 凝固：物質從液態到固態的轉變過程。凝固：物質從液態到固態的轉變過程。 若凝固后的物質為晶體，則稱之若凝固后的物質為晶體，則稱之 為結晶。為結晶。 凝固過程影響后續工藝性能、使用性能和凝固過程影響后續工藝性能、使用性能和壽命。壽命。 凝固是相變過程，可為其它相變的研究提凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎。供基礎。補充補充 材料結晶的基本規律材料結晶的基本規律1 1 液態材料的結構液態材料的結構 結構：長程無序而短程有序。結構：長程無序而短程有序。 特點（與固態相比）：原子間距較大、原子配位特點（與固態相比）：原子間距較大、原子配位數較小、原子排列較混

2、亂。數較小、原子排列較混亂。2 2 過冷現象過冷現象 supercoolingsupercooling （1 1）過冷：液態材料在理論結晶溫度以下仍保持液態的現象。）過冷：液態材料在理論結晶溫度以下仍保持液態的現象。（2 2）過冷度：液體材料的理論結晶溫度）過冷度：液體材料的理論結晶溫度(T(Tm m) ) 與其實際溫度與其實際溫度之差。之差。 T=TT=Tm m-T (-T (見冷卻曲線見冷卻曲線) ) 注注: : 過冷是凝固的必要條件過冷是凝固的必要條件 ( (凝固過程總是在一定的過冷度下進行凝固過程總是在一定的過冷度下進行) )。 這是一種過度冷卻的水（約零下這是一種過度冷卻的水（約零下

3、2121攝氏度）。攝氏度）。一開始的時它是液體，但倒進碗里就馬上變成一開始的時它是液體，但倒進碗里就馬上變成冰水混合物狀冰水混合物狀 第一節第一節 材料凝固時晶核的形成材料凝固時晶核的形成 一、均勻形核一、均勻形核TSHGG0轉變的熱力學條件為轉變的熱力學條件為GSTSSdTdG且且恒恒為為正正值值液態金屬原子排列的混亂程度比固態大很多，所以液態金屬原子排列的混亂程度比固態大很多，所以SLSS GSTSSdTdG且且恒恒為為正正值值其中的其中的T Tm m表示該溫度下，表示該溫度下，液固自由能相等，該溫液固自由能相等，該溫度就是金屬的理論凝固度就是金屬的理論凝固溫度溫度1 1 熱力學條件熱力學

4、條件（2 2）熱力學條件）熱力學條件 G Gv v= =L Lm mT/TT/Tm m a a T0, T0, G Gv v00b 1800時時, , G Gk k非非 TTB B第三節第三節 固溶體合金的凝固固溶體合金的凝固 一一 合金凝固的三種典型情況合金凝固的三種典型情況1 1 平衡凝固平衡凝固平衡分配系數，在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質平衡分配系數，在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質 濃度的比值。濃度的比值。110或或者者小小于于大大于于Lsxxk x0 x1x3x2t0t1t3t2K0 x0K0 x1K0 x2K0 x3x0B%T/平衡結晶時，液相的成分沿著液相線變化，固相的成平

5、衡結晶時，液相的成分沿著液相線變化，固相的成分沿著固相線變化分沿著固相線變化 a 平衡凝固過程平衡凝固過程L S L S L S L S LS S Lt=t1x0 x0 x1x1x1x2K0 x0K0 x1K0 x1K0 x2t=0t=t1t=t2t=t2t=t3t=t3B%B%x2K0 x2K0 x2K0 x3=C0s3x2K0 x3綜上所述，固溶體平衡凝固過程是綜上所述，固溶體平衡凝固過程是: :形核形核相界平相界平衡衡擴散破壞平衡擴散破壞平衡長大長大相界平衡相界平衡.隨著溫度降低，此過程重復進行，直至熔液全部隨著溫度降低，此過程重復進行，直至熔液全部轉變為相同成分的均勻固溶體為止。轉變為

6、相同成分的均勻固溶體為止。2 2 不平衡凝固不平衡凝固（1 1）固相內無擴散，液相內達到完全均勻化）固相內無擴散，液相內達到完全均勻化TxxEXmaxXLXsx0LT1T2T3固固液液xsxLx0k0 x0 xxx0k0 x0 xExmax沿棒距離沿棒距離X Xb)C)（2 2）固相內無擴散，液相內只有擴散而沒有對流原子只能部）固相內無擴散，液相內只有擴散而沒有對流原子只能部分混合分混合n凝固速度很快，界面很快推移，邊界層中溶質凝固速度很快，界面很快推移，邊界層中溶質迅速富集。由于液相中完全不混合，當固相中迅速富集。由于液相中完全不混合，當固相中由由k k0 0 x x0 0提高到提高到x x

7、0 0時，大體積液相中溶質濃度仍保時，大體積液相中溶質濃度仍保持持x x0 0，液固界面仍處在兩相平衡，液固界面仍處在兩相平衡(x(xL L) )i i=x=x0 0/k/k0 0, ,一一直保持該數值直保持該數值. .n初始過渡區建立后，固相溶質濃度保持初始過渡區建立后，固相溶質濃度保持x x0 0, ,邊邊界層外液相濃度也保持界層外液相濃度也保持x x0 0。直至凝固結束，剩。直至凝固結束，剩余液相很少時，由于質量守恒，剩余液相濃度余液相很少時，由于質量守恒，剩余液相濃度迅速升高，故凝固結束后合金棒的末端又出現迅速升高，故凝固結束后合金棒的末端又出現一個富含溶質的末端過渡區。一個富含溶質的

8、末端過渡區。SLx0k0 x0SLx0k0 x0k0 x0 x0穩態穩態起始起始瞬態瞬態最終最終瞬態瞬態a)b)X0/k0合金凝固三種情況的溶質分布曲線比較合金凝固三種情況的溶質分布曲線比較二二 成分過冷及其對晶體生長的影響成分過冷及其對晶體生長的影響固相內無擴散，液相內只有擴散而沒有對流原子只能部分混合固相內無擴散，液相內只有擴散而沒有對流原子只能部分混合SLx0k0 x0 x0 x3S L 溫度TT3濃度溫度界面x0界面距離 ZZZT0(b)(c)(d)Z界面T0GR溫度(e)T3T3X3T0臨界過冷溫度梯度：臨界過冷溫度梯度：界面界面dZdTGeCRZ界面T0GR溫度TL成分過冷條件：成

9、分過冷條件：LRCTGTxxEXmaxXLXsx0LT1T2T3其中，臨界過冷度為其中，臨界過冷度為vDTTGCR31影響成分過冷的因素有：影響成分過冷的因素有： (1) 鋼錠或鑄件中的溫度梯度，當溫度梯度變得平緩，有利鋼錠或鑄件中的溫度梯度，當溫度梯度變得平緩，有利于成分過冷；于成分過冷； (2) 凝固速度凝固速度v; (3) 合金凝固范圍合金凝固范圍(T1-T3)vDTTGCR31成分過冷及其對成分過冷及其對晶體生長形態晶體生長形態的影響（正溫的影響（正溫度梯度下），度梯度下），成分過冷由小成分過冷由小到大，晶體生到大，晶體生長形態：平面長形態：平面狀胞狀樹狀胞狀樹枝狀。枝狀。第四節第四節

10、 共晶合金的凝固共晶合金的凝固 一一 共晶合金的凝固共晶合金的凝固和純組元一樣，共晶體生長特性取決于兩個組元各自的熔和純組元一樣，共晶體生長特性取決于兩個組元各自的熔化熵。化熵。1 1 兩個低熔化熵的組元組成的共晶兩個低熔化熵的組元組成的共晶大多數金屬構成的共晶合金均屬于這種情況，共晶中的大多數金屬構成的共晶合金均屬于這種情況，共晶中的兩相以層片狀或棒狀平行生長兩相以層片狀或棒狀平行生長（1 1）當某一相的體積分數小于）當某一相的體積分數小于1/1/，則采取棒狀形態生長。，則采取棒狀形態生長。因為體積分數一定的條件下，棒狀比層片狀具有更低的表面因為體積分數一定的條件下，棒狀比層片狀具有更低的表

11、面能。能。（2 2）當某一相的體積分數超過總體積分數的）當某一相的體積分數超過總體積分數的1/1/，多采用，多采用層片狀生長，因為層片狀表面單位表面積表面能低。層片狀生長，因為層片狀表面單位表面積表面能低。（3 3）純共晶合金，無成分過冷現象。）純共晶合金，無成分過冷現象。2 2 低熔化熵和高熔化熵組元組成的共晶低熔化熵和高熔化熵組元組成的共晶這是金屬與非金屬（或者類金屬）組成的共晶這是金屬與非金屬（或者類金屬）組成的共晶AlAlSiAlSi圖圖6 620 Al-Si 20 Al-Si 共晶生長共晶生長3. 3. 兩種高熔化熵組元的共晶。兩種高熔化熵組元的共晶。在共晶凝固中兩相各自獨立形核與成

12、長，沒有結晶學關系，在共晶凝固中兩相各自獨立形核與成長，沒有結晶學關系，共晶組織很不規則。共晶組織很不規則。二二 雜質對共晶生長的影響雜質對共晶生長的影響1 1 雜質對第一類共晶生長的影響雜質對第一類共晶生長的影響（a a）使純共晶的平面式生長變為胞狀生長。）使純共晶的平面式生長變為胞狀生長。（b b）雜質還可以片狀共晶結構改變為棒狀共晶。）雜質還可以片狀共晶結構改變為棒狀共晶。2 2 雜質對第二類共晶生長的影響雜質對第二類共晶生長的影響（a a）加入變質劑的影響）加入變質劑的影響Al-SiAl-Si合金變質劑的影響合金變質劑的影響第五節第五節 制造工藝與凝固組織制造工藝與凝固組織 一一 鑄錠與鑄件的凝固組織及其偏析鑄錠與鑄件的凝固組織及其偏析1 1 凝固組織凝固組織鑄錠三區鑄錠三區 表層細晶區表層細晶區( (強過冷強過冷, ,非均勻形核非均勻形核) ) 柱狀晶區柱狀晶區( (純金屬純金屬: :過冷度減小過冷度減小, ,形核困難形核困難, ,沿散熱方向生長沿散熱方向生長; ; 合金合金: :成分過冷成分過冷, ,一次軸發達一次軸發達, ,沿散熱方向生長沿散熱方向生長. ). ) 中心等軸晶區中心等軸晶區( (均勻散熱、液相區成均勻散熱、液相區成 分過冷、熔體對流導分過冷、熔體對流導 致細晶漂移或枝晶破致細晶漂移或枝晶破 碎。）碎。） （1 1）宏觀偏析）宏